Contribution à la compréhension de la chromatographie d'échange d'ions des protéines par un couplage d'approches expérimentales et de simulations moléculaires.

Contribution to the understanding of protein ion-exchange chromatography by coupling experimental approaches and molecular simulations.

• Auteur / Autrice : Marine Tournois
• Direction : Maria Aurora Fernandez, Stéphane Mathé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 23/01/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Maria-Inês Ré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Aurora Fernandez, Stéphane Mathé, Charlotte Cabanne, Manuel Dauchez, Patrick Fuchs, Jérémy Esque
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charlotte Cabanne, Manuel Dauchez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chromatographie par échange d'ions

Lysozyme

Mots clés libres

Simulation moléculaire

Protéines

Chromatographie d'échange ions

Alpha-Chymotrypsine

Lysozyme

Loi SMA

Molecular simulation

Proteins

Ion exchange chromatography

Alpha-Chymotrypsin

Lysozyme

SMA law

Résumé

La compréhension des mécanismes d’échange d’ions à l’échelle locale a connu un fort intérêt ces dernières décennies. En effet, des informations à l’échelle atomique des mécanismes physico-chimiques pourraient permettre l’optimisation des procédés chromatographiques à l’échelle industrielle, qui restent à ce jour sous-optimisés car largement basés sur des méthodes empiriques. De plus, certains comportements observés en système mono-constituant ne peuvent être transposés à des cas plus complexes du fait de l’apparition de phénomènes tels que les interactions protéines-support ou encore la compétition protéine-protéine. Dans ce contexte, une approche particulièrement prometteuse est d’utiliser la simulation moléculaire pour étudier ces phénomènes locaux à l’intérieur des adsorbants (résines échangeuses d’ions) en complément aux techniques expérimentales sophistiquées, qui s’avèrent difficiles à mettre en œuvre et généralement très coûteuses. La simulation moléculaire peut ainsi permettre d’étudier les interactions d’une protéine dans son environnement, notamment avec la résine chromatographique, mais aussi d’identifier d’éventuels changements conformationnels. Dans ce travail, l’utilisation de la simulation moléculaire est proposée et discutée en confrontant les données obtenues numériquement à des données d’expériences réalisées à l’échelle macroscopique. En particulier, l’équilibre d’échange d’ions a été étudiée avec mesure des isothermes d’adsorption et application de la loi d’Action de Masse Stérique, afin d’évaluer la pertinence de cette approche. Les premiers résultats de simulations moléculaires obtenus sur un système modèle ont ainsi permis d’acquérir une vision moléculaire du mécanisme de rétention de la protéine étudiée sur la surface chromatographique et notamment de mettre en évidence des orientations préférentielles. De plus, la comparaison de deux paramètres physiques calculés à partir des deux approches (in silico et expérimentale) a montré un bon accord, indiquant que l’utilisation de ce type de méthode numérique est prometteuse dans ce domaine. La modélisation des effets de l’environnement (pH, force ionique, protéines en compétition) semble également prometteuse, mais nécessiterait une plus grande investigation et l’utilisation d’approches numériques plus adaptées à la complexité du système.

The interest for a better understanding of ion-exchange mechanisms at the atomic level has strongly increased over the past decades. Indeed, molecular-level information about physic-chemical mechanisms could help optimizing chromatographic processes for protein purification, which are sub-optimized and still based on empirical methods. Furthermore, behaviors observed in a single-component system cannot be adapted to more complex systems due to the occurrence of phenomena such as protein-protein competition or protein-support interactions. In this context, a promising approach is the use of molecular simulations to investigate local phenomena inside the adsorbents (ion-exchange resin) as a complement to sophisticated experimental techniques, which are difficult to implement and tend to be expensive. Thus, molecular simulations may allow to study protein interactions in its environment, especially with the chromatographic resin, but also to identify possible conformational changes. In this work, the use of molecular simulations is proposed and discussed by comparing simulations against data from macroscopic scale experiments. In particular, ion-exchange equilibrium was studied through adsorption isotherms experiments and application of the Steric Mass Action law in order to evaluate the reliability of this strategy. The first results from molecular simulations obtained with a model system allowed to acquire a molecular insight of retention mechanism of the protein on the chromatographic surface and in particular to identify preferential orientations. Moreover, the comparison of two physical parameters obtained from both approaches (in silico and experiments) showed a good agreement, emphasizing that the use of this kind of numerical method is useful in the field. Modeling the environment effects (pH, ionic strength, competitive proteins) seems also promising, though a deeper investigation and the use of other numerical approaches dedicated to the system complexity should be carried out.