Thèse soutenue

Développement de la RMN pour la caractérisation structurale et dynamique à haute résolution de protéines fluorescentes phototransformables
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Auteur / Autrice : Nina-Eleni Christou
Direction : Bernhard BrutscherDominique Bourgeois
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
Date : Soutenance le 18/12/2020
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie structurale (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Antoine Delon
Examinateurs / Examinatrices : Martin Weik, Michel Sliwa, Carine Van Heijenoort
Rapporteurs / Rapporteuses : Hideaki Mizuno, Bruno Kieffer

Mots clés

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Résumé

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La découverte de protéines fluorescentes photo-transformables (PTFP) au cours des dernières décennies a révolutionné le domaine de la microscopie optique. Les protéines fluorescentes réversiblement commutables (RSFP), en particulier, sont couramment utilisées pour les techniques de microscopie à super-résolution comme en RESOLFT (REversible Saturable OpticaL Fluorescence Transitions) par exemple. Par photoactivation, les RSFP passent d'un état "on" - fluorescent - à un état "off" - éteint - qui, combiné à des systèmes d'illumination avancés permet d'imager des composants cellulaires préalablement marqués à une résolution nanométrique. De nombreuses études cristallographiques sur les RSFP ont apporté des informations structurelles importantes et ont permis de dresser des hypothèses quant à leur comportement photo-physique. Elles ont également guidé l'ingénierie des protéines fluorescentes afin d'améliorer leur conception et leur utilisation in vivo. Cependant, les cristaux de ces protéines qui sont étudiées à des températures cryogéniques ne permettent pas de capturer la dynamique moléculaire des RSFP dans le but de comprendre, voir d'améliorer leur propriétés photo-physique. C'est pourquoi au cours de ma thèse, j'ai majoritairement utilisé la résonance magnétique nucléaire (RMN) en solution multidimensionnelle sur une RSFP verte - appelée rsFolder - afin de compléter et améliorer nos connaissances sur ces protéines. À l'aide d'un dispositif d'éclairage laser in situ portatif couplé au spectromètre RMN, j'ai pu extraire des informations dynamiques locales quantitatives concernant les états "on" et "off" fluorescents de rsFolder qui sont respectivement caractérisés par un chromophore en conformation cis et trans. Les signatures des résidus dans l'état "off" non fluorescent ont été identifiées à l'aide d'expériences de RMN d'échange induite par LASER. L'état "off" métastable de rsFolder apparaît plus dynamique dans l'échelle de temps de la milliseconde que l'état "on" fluorescent. La RMN a également permis de mettre en lumière quatre configurations du chromophore possible qui sont pH dépendante. De plus, j'ai observé pour la première fois l'isomérisation du chromophore induite par le pH cis-trans. Les valeurs dérivées de la RMN des énergies d'activation concernant l'isomérisation et les différences d'énergie libre entre le chromophore cis et trans ont permis de cartographier le paysage d'énergie libre de l'état fondamental de rsFolder à différents pH. Enfin, la comparaison de données de RMN et des mesures optiques sur rsFolder ainsi que sur différents mutants a mis en évidence le rôle important que la RMN peut jouer dans le domaine de l'ingénierie des RSFPs.Dans l'ensemble, mes travaux de thèse ont permis non seulement d'établir un système d'illumination in situ fiable, accompagné d'expériences de RMN pertinentes dans le but d'étudier les RSFP mais aussi de souligner l'importance de la dynamique moléculaire dans la compréhension des propriétés photo-physiques des RSFPs.