Computational design of proteins and enzymes

par Vaitea Opuu

Thèse de doctorat en Biologie et Chimie

Sous la direction de Thomas Simonson.

Soutenue le 29-10-2020

à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de biochimie (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Sebastian Will.

Le jury était composé de Thomas Simonson, Marc Delarue, Anne-Claude Camproux, Martin Weigt.

Les rapporteurs étaient Marc Delarue, Anne-Claude Camproux.

  • Titre traduit

    Dessin computationel de protéines et d’enzymes


  • Résumé

    Nous proposons un ensemble de méthodes pour la conception de systèmes moléculaires. Notre stratégie consiste à utiliser comme modèle des machines naturellement optimisées, les protéines. Les protéines peuvent être des briques structurales, des transporteurs d'informations ou des catalyseurs chimiques. Nous utilisons ici des approches computationnelles, complémentaires aux voies expérimentales, pour concevoir de tels systèmes.Nous avons d'abord entièrement redessiné un domaine PDZ impliqué dans des voies métaboliques. Nous utilisons une approche physics-based basée sur la mécanique moléculaire, un modèle de solvant implicite et un échantillonnage Monte Carlo. Parmi plusieurs milliers de variants prédits pour adopter le repliement PDZ, trois ont été sélectionnés et montrent un repliement correct. Deux ont une affinité détectable pour les ligands peptidiques naturels.Nous avons ensuite re-dessiné le site actif de l'enzyme méthionyl-ARNt synthétase (MetRS). En utilisant un algorithme de type Monte Carlo adaptatif, nous avons sélectionné des variants pour l'affinité MetRS/méthionine (Met). Sur 17 variants testés expérimentalement, 17 sont actifs. La méthode a été ensuite appliquée à l'état de transition pour sélectionner des variants directement sur leur efficacité catalytique.Nous avons étudié la possibilité de modifier la MetRS pour étendre son activitéaux acides aminés β, afin d'étendre le code génétique. Ces acides aminésnon-naturels permettraient d'enrichir le répertoire structural des protéines. 20variants MetRS obtenus à partir de prédictions d'affinité MetRS/β-Met ont ététestés. Aucun n'augmente l'activité mais trois ont amélioré la sélectivité enfaveur de la β-Met. Nous avons implémenté une méthode de sélection de positionsd'intérêt et production de variants pour β-Met et β-Val. Une vingtaine deprédictions sont en cours de tests expérimentaux.Enfin, la modification de protéines in vivo pose la question de leur dérive génétique. Nous introduisons ici une méthode de conception de paires de gènes chevauchants pour des domaines PDZ. Ce codage permettrait de limiter la dérive génétique. Nous avons produit près de 2000 paires de domaines PDZ au codage chevauchant, dont une a été validées par 2 microsecondes de dynamique moléculaire. Des tests expérimentaux sont en cours.


  • Résumé

    We propose a set of methods to design molecular systems. We start from naturally optimized components, namely proteins. Proteins can act as structural components, information transporters, or catalysts. We use computational methods to complement experiments and design protein systems.First, we fully redesigned a PDZ domain involved in metabolic pathways. We used a physics-based approach combining molecular mechanics, continuum electrostatics, and Monte Carlo sampling. Thousands of variants predicted to adopt the PDZ fold were selected. Three were validated experimentally. Two showed binding of the natural peptide ligand.Next, we redesigned the active site of the methionyl-tRNA synthetase enzyme (MetRS). We used an adaptive Monte Carlo method to select variants for methionine (Met) binding. Out of 17 predicted variants that were tested experimentally, 17 were found to be active. We extended the method to transition state binding to select mutants directly according to their catalytic power.We redesigned the MetRS binding site to obtain activity towards two β-amino acids, in order to expand the genetic code. These unnatural amino acids can enhance the structural repertoire of proteins. 20 predicted mutants were tested. Although none had increased β-Met activity, three had a gain in selectivity for β-Met. We then implemented a method to select optimal positions for design and applied it to β-Met and β-Val. Around 20 variants are being experimental tested.Finally, in vivo protein modifications raise the question of their eventual drift away from the original design. We introduce here a design approach for overlapping genes coding PDZ domains. This overlap would reduce genetic drift and provide bio-confinement. We computationally produced almost 2000 pairs of overlapping PDZ domains. One was validated by 2 microsecond molecular dynamic simulations. Experiments are underway.


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