Modélisation de systèmes bioluminescents issus des crevettes pour de meilleurs biocapteurs

MODELLING BIOLUMINESCENT SYSTEMS FROM SCHRIMPS FOR BETTER BIOSENSORS

• Auteur / Autrice : Houda Moumene
• Direction : Isabelle Navizet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MSME - Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi Echelle
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe de Chimie Théorique (CT)

Mots clés

Mots clés libres

Bioluminescent

Modélisation

Protéine

Dynamique moléculaire

États excités

Spectroscopie

Bioluminescent

Modelling

Protein

Molecular dynamics

Excited state

Spectroscopy

Résumé

La bioluminescence observée chez les lucioles, les méduses et un certain nombre d'animaux marins est issue d'une réaction chimique au sein d'une protéine conduisant à une molécule émettrice de lumière. La réaction chimique au sein de NanoLuc, une petite protéine issue du système bioluminescent d'une crevette, est déjà utilisée comme biocapteur en imagerie cellulaire. Cependant, son émission dans le jaune-vert n'est pas idéal pour les applications in vivo car les tissus vivants absorbent dans ces longueurs d'onde. Un système émettant vers de plus grandes longueusr d'onde (vers le rouge) serait plus efficace. L'étude proposée est de simuler les spectres d'absorption et d'émission de lumière de l'émetteur dans NanoLuc, de les comparer aux spectres expérimentaux afin de mieux comprendre les facteurs influençant leurs formes et leurs positions spectrales. L'influence de la protéine autour de l'émetteur sur la lumière émise sera considérée. On cherchera alors quelles mutations de la protéine peuvent induire un déplacement spectral vers le rouge et les systèmes prometteurs seront proposés pour des tests expérimentaux. Les simulations se feront à l'aide des outils de dynamique moléculaire et des calculs de transitions électroniques par des méthodes hybrides combinant la mécanique quantique et la mécanique moléculaire (QM/MM). Les protocoles seront à tester et à mettre en place au cours de la thèse. L'influence des états de protonation du ligand sera investiguée.

Bioluminescence observed in fireflies, squids and some sea animals comes from a chemical reaction inside a protein leading to a light emitter. The chemical reaction inside NanoLuc, a small protein issued from the bioluminescent system of a shrimp, is already used as biosensor in cell imaging. However, the yellow-green emitted light is not ideal for in vivo applications as lives tissues absorb at theses wavelengths. A system that emits at longer wavelengths (near red) would be more efficient. The proposed study is to simulate the absorption and emission spectra of the light emitter in NanoLuc, to compare them to experimental spectra in order to better understand the factors that influence their shapes and spectroscopic positions. The influence of the protein around the light emitter on the emitted light will be considered. The protein mutations that induce a red-shift will be explored and the promising systems will be proposed to experimental tests. Simulations will be performed with molecular dynamics, electronic transition calculations with hybrid methods combining quantum mechanics and molecular mechanics (QM/MM). The protocols will be tested and set up during the PhD. Influence of the protonation states of the ligand will be investigated.