Étude biochimique de la phosphoénolpyruvate carboxylase par simulations numériques

Biochemical study of phosphoenolpyruvate carboxylase using molecular simulations

• Auteur / Autrice : Alexis Descamps
• Direction : Rodolphe Vuilleumier, Nicolas Chéron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 19/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Processus d'activation sélectif par transfert d'énergie uni-électronique ou radiatif (Paris ; 1998-2024)
• Jury : Président / Présidente : Thérèse Malliavin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Fuchs
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julie Bouckaert, Juliette Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mutation (biologie)

Photosynthèse

Pyruvate carboxylase

Enzymes -- Analyse

Chimie physique et théorique

Mots clés libres

Chimie théorique

Simulation numérique

Enzyme

Photosynthèse

Theoritical chemistry

Computational chemistry

Enzyme

Photosynthesis

Résumé

La PEP carboxylase est une enzyme impliquée dans plusieurs processus biologiques chez les plantes, tels que la maturation des graines ou les premières étapes de la capture du carbone au cours de la photosynthèse chez certaines plantes. Elle est ainsi responsable de la capture initiale du CO2 pour ¼ de la production terrestre de biomasse. Dans cette thèse nous avons étudié le mécanisme biochimique de l'enzyme PEP carboxylase. L'inconnue principale était la conformation fermée de la boucle II qui permet de protéger le site actif du solvant et d'enclencher la réaction chimique. Cette conformation n'a pas été à ce jour résolue expérimentalement, et les tentatives initiales de prédire cette conformation se sont avérées insatisfaisantes parce qu'instables. Notre but a alors été de prédire cette conformation fermée par des simulations numériques. Pour cela, nous avons développé une méthode originale pour prédire la conformation de boucles de protéines dans leur conformation fermée à partir de la détermination de la conformation ouverte. Nous avons démontré sur des exemples où les deux conformations sont connues que la méthode que nous avons développée, dénommée SETH, est capable de prédire la conformation fermée à partir de la seule conformation ouverte. De plus, nous avons développé une méthode d'analyse des trajectoires de simulations moléculaires qui permet de séparer les données en sous-groupes homogènes, facilitant ainsi leur comparaison. L'avantage de cette seconde méthode, dénommée YACARE, est qu'elle ne fait intervenir que des paramètres physiques et facilement interprétables. Nous avons alors appliqué les méthodes SETH et YACARE à la PEP carboxylase et découvert une conformation fermée candidate pour être la conformation réactive souhaitée. Celle-ci est stable numériquement au cours de simulations par échanges de de répliques de 200ns ainsi qu'au cours de simulations classique de 1 microseconde. Elle est caractérisée par la présente de ponts salins qui l'aide à se maintenir fermée. Nous avons aussi pu expliquer et prédire l'effet de mutations sur cette conformation. Ce travail ouvre désormais la possibilité d'étudier le mécanisme réactionnel de cette enzyme et de caractériser l'effet de mutations. Ceci permettra de proposer des mutants qui pourraient ouvrir la voie à des plantes qui poussent plus vite ou fournissent plus de biomasse, ce qui pourrait donc contribuer à résoudre une partie des problèmes d'alimentation à venir au niveau mondial dans les décennies futures.

PEP carboxylase is an enzyme involved in several biological processes in plants, such as seed maturation and the early stages of carbon capture during photosynthesis in certain plants. It is responsible for the initial capture of CO2 for a quarter of the terrestrial biomass production. In this thesis, we studied the biochemical mechanism of the enzyme PEP carboxylase. The main unknown was the closed conformation of loop II, which protects the active site from the solvent and initiates the chemical reaction. This conformation has not been experimentally resolved to date, and initial attempts to predict this conformation have been unsatisfactory because they were unstable. Our goal was to predict this closed conformation through numerical simulations. To achieve this, we developed an original method to predict the closed conformation of protein loops based on the knowledge of the open conformation. We demonstrated with examples where both conformations are known that the method we developed, named SETH, is capable of predicting the closed conformation from the open conformation alone. Additionally, we developed a method for analyzing molecular simulation trajectories that allows clustering the data, thus facilitating their comparison. The advantage of this second method, named YACARE, is that it only involves physical parameters that are easily interpretable. We then applied the SETH and YACARE methods to PEP carboxylase and discovered a closed conformation that is a good candidate for the reactive conformation. This conformation is numerically stable during 200ns replica exchange simulations as well as 1µs classical simulations. It is characterized by the presence of salt bridges that help keep it closed. We were also able to explain and predict the effect of mutations on this conformation. This work now opens up the possibility of studying the reaction mechanism of this enzyme and characterizing the effect of mutations. This could lead to proposing mutants that might pave the way for plants that grow faster or produce more biomass, potentially helping to solve some of the global food supply issues in the coming decades.