Mise en place d'un système de mesures de données de diffractions in situ à haut débit sur des échantillons biologiques

Establishement of high-throughput in situ diffraction data measurement methods applied to biological samples

• Auteur / Autrice : Igor Chaussavoine
• Direction : Matthieu Réfrégiers, Léonard Chavas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/04/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Synchrotron SOLEIL
• Jury : Président / Présidente : Jean-Baptiste Charbonnier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Réfrégiers, Léonard Chavas, Mirjam Czjzek, Stéphane Veesler, Monika Budayova-Spano, Gilles Ferry, Ahmed Haouz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mirjam Czjzek, Stéphane Veesler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement synchrotron

Dynamique des fluides

Cristallographie

Mots clés libres

In-Situ

Synchrotron

Diffraction

Microfluidique

Cristallographie

Diffraction

In situ

Microfluidic

Crystallography

Synchrotron

Résumé

Dans le domaine de la cristallographie biologique, la solution communément utilisée pour protéger les échantillons fragiles du faisceau de rayon x, est la congélation des échantillons. Un traitement chimique empêche la cristallisation de l’eau et de ce fait la destruction des l’échantillons, mais peut être un frein à la cristallisation de molécules sensibles. Pour contourner cette difficultée, les expériences sont effectués à température ambiante dite in-situ en utilisant des données provenant d’un grand nombre d’échantillons pour contourner les difficultées de dommages de radiations. Les méthodes actuellement utilisés, dite de serial crystallography, récupèrent une fraction infime des données requises sur chacun des cristaux, ce qui amène à une forte consommation d’échantillon difficiles à se procurer. Cette thèse présente une approche, utilisant la microfluidique, permettant de placer et collecter automatiquement les cristaux biologiques sur un angle permettant de réduire drastiquement l’utilisation d’échantillon. Le but des travaux présentés est de mettre en place un système de mesures in-situ à haut débit, en tirant avantage des nouvelles avancées en développements de puces microfluidiques adaptées à des échantillons biologiques cristallins, en complément des approches robotiques mises en places sur la ligne PROXIMA-1. Les puces devront être munies de qualités particulières qui devront favoriser un chargement d’échantillons cristallins avec un minimum de stress externe ; supporter les environnement chimiques des échantillons ; disposer de manière périodique les cristaux tout au long de la puce ; être usinée dans un matériau permettant la prise de collectes de clichés de diffraction avec un minimum d’absorption et de diffusion en bruit de fond ; être adaptées au robot de changement d’échantillons opérationnel sur la ligne. Les travaux présentés vérifient les capacités de la puce à répondre à certaines difficultées actuelles de la cristallographie, comme la sensibilité de certains échantillons ou l’acquisition expérimentale de la phase, et examine les apports directs que cette technologie pourrait avoir sur le domaine, comme le trempage automatique de ligands, le confinement des échantillons, ou permettre une acquisition de donnée de diffraction sur des échantillons

In the field of biological crystallography, the solution commonly adopted to protect fragile samples from the X-ray beam is the freezing of the samples. Chemical treatment prevents water crystallisation, therefore the destruction of samples, but can be an obstacle to the crystallization of sensitive molecules. To circumvent this difficulty, the experiments are carried out at room temperature called In the field of biological crystallography, the solution commonly adopted to protect fragile samples from the X-ray beam is the freezing of the samples. Chemical treatment prevents water crystallisation, therefore the destruction of samples, but can be an obstacle to the crystallization of sensitive molecules. To circumvent this difficulty, the experiments are carried out at room temperature called in-situ using data coming from a large number of samples to circumvent the difficulties of radiation damage. The methods currently used, called serial crystallography, recover a tiny fraction of the data required on each of the crystals, which leads to a high consumption of rare samples. This thesis presents an approach, using microfluidics, allowing to automatically place and collect biological crystals on an angle allowing to drastically reduce the sample consumption. The aim of the work presented is to set up a high-throughput in situ measurement system, taking advantage of new advances in the development of microfluidic chips adapted to crystalline biological samples, in addition to the robotic approaches implemented on the PROXIMA-1 beamline. The chips will have to be provided with particular qualities which will favor a loading of crystalline samples with a minimum of external stress; withstand the chemical environment of the samples; periodically arranging the crystals throughout the chip; be machined from a material allowing the taking of diffraction collections with a minimum of absorption and background noise diffusion; be adapted to the operational sample changing robot on the line. The work presented verifies the capabilities of the chip to respond to certain current difficulties in crystallography, such as the sensitivity of certain samples or the experimental acquisition of the phase, and examines the direct contributions that this technology could have on the field, such as automatic soaking of ligands, confinement of samples, or allow acquisition of diffraction data on in-cellulo samples.