Dynamique de Protéines par RMN avec Rotation Rapide à l’Angle Magique

Protein dynamics with fast magic-angle spinning NMR

• Auteur / Autrice : Marta Bonaccorsi
• Direction : Guido Pintacuda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 09/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de RMN à très hauts champs de Lyon (2009-...)
• Jury : Président / Présidente : Luca Monticelli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guido Pintacuda, Luca Monticelli, Francesca Marassi, Tatyana Polenova, Hartmut Oschkinat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francesca Marassi, Tatyana Polenova

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines

Résonance magnétique nucléaire

Mots clés libres

Résonance Magnétique Nucléaire

Rotation à l’angle magique

Dynamique

Protéines

Métalloprotéine

Protéines transmembranaires

Superoxide Dismutase

CorA

Nuclear Magnetic Resonance

Magic-Angle

Spinning Dynamics

Proteins

Proton Detection

Metalloprotein

Membrane protein

Superoxide Dismutase

CorA

Aquaporin 1

Résumé

L'objectif de cette thèse est de développer la Résonance Magnetique Nucléaire en Rotation à l'Angle Magique (MAS NMR) pour caractériser la structure et la dynamique d' échantillons biologiques complexes, avec un accent particulier sur le rôle des ions métalliques dans les enzymes et les canaux transmembranaires. MAS NMR est une technique performante qui permet d'extraire des informations au niveau atomique, de caractériser la dynamique sur de larges échelles de temps, et d'étudier les états fonctionnels dans des échantillons en conditions natives, une exigence particulièrement importante pour les protéines transmembranaires dans les bicouches lipidiques, par exemple. Néanmoins, un certain nombre de difficultés empêchent son application généralisée en biologie structurelle.Dans mon travail, j'ai développé et appliqué des techniques basées sur des champs magnétiques élevés (fréquence de Larmor du 1H 800 MHz et 1 GHz ) et des sondes MAS avec des rotors de diamètre inférieur au millimètre, tournant à des vitesses supérieures à 100 kHz, ce qui a contribué à faire progresser les capacités de cette technique : i) en augmentant la taille moléculaire des systèmes qui peuvent être étudiés avec un détail du niveau du résidu ; ii) en réduisant les exigences en termes de marquage isotopique, notamment la deutération ; iii) en accélérant les processus laborieux d'attribution de résonance et d'acquisition de paramètres dynamiques ; iv) en enrichissant la palette des paramètres mesurables liés à la dynamique. Tout au long de cette thèse, les méthodes ont été évaluées sur des échantillons microcristallins du domaine modèle GB1, et appliquées à la Cu,Zn-superoxyde dismutase (une métalloenzyme dimérique de Cu de 2x16 kDa) sous forme microcristalline et fonctionnelle, ainsi qu'à deux canaux transmembranaires reconstitués en bicouches lipidiques, CorA (un canal cationique pentamérique bactérien de 5x40 kDa) et l'Aqp-1 humaine (aquaporin-1, canal d'eau tétramérique de 4x25 kDa). Les résultats obtenus éclaircissent d'avantage la relation entre la dynamique interne et la fonction des protéines.

The aim of my thesis is to develop Magic-Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance (MAS NMR) to characterize structure and dynamics in complex biological samples, with a particular focus on the role of metal ions in enzymes and channels.MAS NMR is a powerful technique that allows to extract atomic level information, characterize broad timescales of motions, and investigate functional states in native-like sample conditions, a particularly important requirement e.g. for transmembrane proteins in lipid bilayers. Nonetheless, a number of bottlenecks prevents its widespread application in structural biology.In my work I developed and applied tailored techniques based on high magnetic fields (800 MHz and 1 GHz 1H Lamor frequency) and MAS probes with sub-mm diameter rotors spinning at rates above 100 kHz, which contributed to push forward the capability of this technique: i) by enlarging the molecular size of the systems that can be investigated with site specificity; ii) by reducing the requirements in terms of isotopic labeling, notably deuteration; iii) by speeding up the tedious processes of resonance assignment and acquisition of dynamical parameters; iv) by enriching the palette of measurable parameters connected to dynamics.All along this thesis, the methods were benchmarked on microcrystalline samples of the model domain GB1, and applied to Cu,Zn-superoxide dismutase (a dimeric 2x16 kDa Cu metalloenzyme) in functional microcrystalline form, as well as to two transmembrane channels reconstituted in lipid bilayers, bacterial CorA (a pentameric 5x40 kDa cation channel) and human Aqp-1 (tetrameric 4x25 kDa aquaporin-1 water channel). The data obtained shed new light on the relation between internal dynamics and function.