Développement et caractérisations de complexes de lanthanide pour la biologie structurale

Development and characterisation of lanthanide complexes for structural biology

• Auteur / Autrice : Zaynab Alsalman
• Direction : Eric Girard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les Sciences du Vivant
• Date : Soutenance le 14/04/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie structurale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Claude Sauter
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Giraud, Monika Budayova-Spano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Receveur-Bréchot, Ahmed Haouz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique moléculaire

Mutagenèse

Nucléation

Rayons X -- Diffraction

Cristallographie

Mots clés libres

Cristallographie

Diffraction rayons X

Nucléation

Complexes de lanthanide.crystallophore (Xo4). variants

Mutagenèse

Dynamique moléculaire

Crystallography

X-Ray diffraction

Nucleation

Lanthanide complex crystallophore (Xo4) variants

Mutagenesis

MD simulations

Résumé

Considérée comme l'une des méthodes les plus productives pour obtenir des informations structurales très précises sur les macromolécules biologiques, la cristallographie aux rayons X se heurte toujours à deux obstacles majeurs et ce malgré des avancées technologiques majeures: la production de cristaux de qualité/présentant une bonne diffraction et la résolution du problème de la phase inhérente à la méthode. C’est dans ce contexte que des complexes de lanthanides mono-cationiques ayant des propriétés de nucléation et permettant de résoudre le problème des phases, connus sous le nom de "Crystallophore" (Xo4), ont été développés.Malgré les propriétés uniques qu'offre le TbXo4, les différentes études menées à son sujet montrent que son taux de réussite n’est pas de 100%, en particulier en ce qui concerne la cristallisation, d'où l'importance d'augmenter son taux de succès. L'objectif de cette thèse était de mieux comprendre les propriétés d'interaction et de nucléation du TbXo4 et son comportement à la surface des protéines.Pour ce faire, nous avons abordé la question par une double approche. La première approche a consisté à explorer la chimie offerte par les complexes de lanthanide en évaluant les propriétés de nucléation de treize molécules dérivées du crystallophore, fournies par nos collaborateurs de l'ENS Lyon, sur un panel de trois protéines commerciales. Cette approche nous a permis de sélectionner une nouvelle molécule, TbXo4-OH, caractérisée par une extension propanol sur l'azote libre du macrocycle triazacyclononane, qui offre des propriétés de nucléation similaire par rapport à la molécule de référence TbXo4. Nous avons également développé un nouveau protocole d'utilisation des molécules.La deuxième approche était une approche biologique qui a consisté à analyser les sites d'interaction entre TbXo4 et la cible protéique. Cette analyse a été combinée à de la mutagenèse (mutation ponctuelle), sur deux modèles de protéines, afin de confirmer les acides aminés ou groupes de résidus qui sont liés dans la liaison de la molécule. De plus, le présent travail a démontré la complémentarité entre la dynamique moléculaire et l'analyse de la structure cristalline.

Considered as one of the most productive method for obtaining highly accurate structural information about biological macromolecules, X-ray crystallography still faces two major hurdles, despite tremendous technological advances that this method have encountered: production of high-quality/well diffracting crystals and solving the phase problem inherent to the method,. Therefore, mono-cationic lanthanide complex with nucleating and phasing properties, known as “Crystallophore” (Xo4), has been developed.Despite the important advantages that TbXo4 provides, the different studies undergone on it show that it is not 100% successful, in particular in term of crystallization, hence the importance of increasing its success. The objective of this thesis was to better understand the interaction and nucleation properties of TbXo4 and its behaviour on the protein surface.To this end, we have addressed the question by a two-fold approach. The first approach has consisted in exploring the chemistry offered by lanthanide complexes by evaluating the nucleating properties of thirteen crystallophore variants, provided by our collaborators at ENS Lyon, on a panel of three commercial proteins. This approach has enabled us to select a new variant of crystallophore, TbXo4-OH, characterized by a propanol extension on the free nitrogen of the triazacyclononane macrocycle which provides similar nucleating properties compared to the reference molecule TbXo4. We have also developed a new protocol of use of these molecules.The second approach was a biological approach that has consisted in analysing the interaction sites between TbXo4 and the protein target. This analysis was combined with mutagenesis (point mutation), on two protein models, in order to confirm amino acids or groups of residues that are related in the binding of the molecule.Also, the present work has demonstrated the complementarity between molecular dynamics and crystal structure analysis.