Modélisation de la dynamique du protéome aux limites de la vie cellulaire

Modelling proteome dynamics at the limits of cellular life

• Auteur / Autrice : Beatrice Caviglia
• Direction : Fabio Sterpone, Alessandro Paciaroni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Modélisation moléculaire
• Date : Soutenance le 10/12/2024
• Etablissement(s) : Université Paris Cité en cotutelle avec Università degli studi (Pérouse, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Médicament, toxicologie, chimie, imageries (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biochimie théorique (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Giovanna D'Angelo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Silvia Corezzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Senet, Giorgio Schiro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microorganismes des milieux extrêmes

Bactéries psychrophiles

Modèles mathématiques

Protéines -- Dénaturation (chimie)

Neutrons -- Diffusion

Simulation, Méthodes de

Dynamique moléculaire

Protéome

Mots clés libres

Dynamique du protéome

Simulations de dynamique moléculaire

Diffusion des neutrons

Dénaturation des protéines

Température

Modélisation

Extrêmophiles

Psychrophile

Mesophile

Hyperthermophile

Proteome dynamics

Molecular dynamics simulations

Neutron scattering

Protein unfolding

Temperature

Modeling

Extremophiles

Psychrophile

Mesophile

Hyperthermophile

Résumé

Ce travail étudie le comportement dynamique des protéomes de trois bactéries différentes, chacune adaptée à un environnement thermique différent. Les travaux récents se sont concentrés sur la compréhension des limites thermiques des cellules et leur corrélation avec la dénaturation des protéines. Il a été suggéré que la dénaturation des protéines cytoplasmiques à haute température détermine la limite thermique supérieure du métabolisme cellulaire. Deux hypothèses ont été proposées pour expliquer cette relation. Ken Dill et ses collègues ont suggéré que l'ensemble du protéome subit une dénaturation coopérative à la température de mort de la cellule. Par contre, Piccotti et ses collègues ont proposé que la dénaturation d'une petite quantité de protéines essentielles est suffisante pour interrompre le métabolisme à des températures élevées. Des études combinant la diffusion de neutrons et les simulations moléculaires ont révélé, en analysant la dynamique du protéome, qu'une petite fraction des protéines cytoplasmiques d'Escherichia coli, une bactérie mésophile, se déplie à la mort cellulaire, confirmant la deuxième hypothèse. Toutefois, la connexion entre la dynamique du protéome et la mort cellulaire dans les espèces extrêmophiles n'est toujours pas clair. Des outils informatiques avancés et des mesures expérimentales sont essentiels pour analyser la complexité de la dynamique cellulaire. Dans cette étude, les simulations de dynamique moléculaire et la diffusion de neutrons ont été utilisées pour analyser la dynamique du protéome des bactéries extrêmophiles, à différentes échelles de temps - allant des mouvements inférieurs à la nanoseconde jusqu'à ceux de l'ordre de la nanoseconde, tout en comparant ces résultats à des résultats précédents obtenus avec l'organisme mésophile. À l'échelle de la sub-nanoseconde, les résultats indiquent que les fluctuations des protéines dans toutes les bactéries atteignent un seuil commun au moment de leur mort cellulaire, ce qui suggère que les adaptations évolutives de la viscosité cytoplasmique assurent le mouvement fonctionnel des protéines dans leurs niches thermiques. À l'échelle de la nanoseconde, une diminution de la diffusion du protéome des protéines d'environ 20 K, une anomalie singulière qui illustre le comportement des enzymes adaptées au froid, qui arrêtent de fonctionner bien avant que leur structure soit altérée par la dénaturation thermique correspond aux limites thermiques supérieures des bactéries mésophiles et hyperthermophiles, et confirme la deuxième hypothèse. Toutefois, le psychrophile présente un comportement distinct avec son protéome présentant une résistance remarquable à la dénaturation thermique. Dans cette situation, la mort cellulaire précède la dénaturation des protéines d'environ 20 K, une anomalie singulière qui illustre le comportement des enzymes adaptées au froid, qui arrêtent de fonctionner bien avant que leur structure soit altérée par la dénaturation thermique.

This work investigates the dynamical behaviour of proteomes belonging to three different bacteria, each adapted to a distinct thermal environment.Recent research has focused on understanding the thermal limits of a cell, and the relationship with protein unfolding. It has been suggested that the denaturation of the cytoplasmic proteins under high temperatures determines the upper thermal limit of cellular metabolism. Two pictures have been proposed to explain this connection. Ken Dill and colleagues suggested that the entire proteome undergoes cooperative unfolding at the cell's death temperature. In contrast, Piccotti and coworkers proposed that the unfolding of only a small set of essential proteins is sufficient to arrest metabolism at elevated temperatures. Recent studies combining neutron scattering and molecular simulations have shown that proteome dynamics in mesophilic Escherichia coli strongly indicates cytoplasmic protein unfolding, with a only a small fraction of proteins unfolding at cell death, supporting the latter picture. The link between proteome dynamics and cell death in extremophilic species remains unclear. Advanced computational tools and experimental measurements are crucial for analyzing the complexity of cellular dynamics. In this study, molecular dynamics simulations and neutron scattering were employed to investigate the proteome dynamics of extremophilic bacteria, across different timescales - from sub-nanosecond local motions to nanosecond global translational and rotational motions - while comparing these findings to previous results from the mesophilic organism. The findings reveal that, on the sub-nanosecond scale, protein fluctuations in all bacteria reach a common threshold at their respective cell death points, suggesting that evolutionary adaptations in cytoplasmic viscosity ensure functional protein motion within their thermal niches. On the nanosecond scale, a diffusion slow-down of the proteome aligns with the upper thermal limits for mesophilic and hyperthermophilic bacteria. However, the psychrophilic organism shows a distinct behavior, with its proteome exhibiting remarkable resistance to thermal denaturation. In this case, cell death precedes protein unfolding by about 20 K, a unique anomaly that mirrors the behavior of cold-adapted enzymes, which cease functioning long before their structure is compromised by thermal unfolding.