Étude des cations comme régulateurs des processus membranaires : modulation de la fusion membranaire via les interactions lipide-cation et export du procollagène induit par un gradient de protons

Study of cations as regulators of membrane processes: modulation of membrane fusion through lipid–cation interactions and procollagen export driven by a proton gradient

• Auteur / Autrice : Louis Bunel
• Direction : Frédéric Pincet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 12/09/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de l'École normale supérieure
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Damien Baigl
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Pincet, Thierry Galli, Isabel Alves, Patricia Bassereau, Lorena Redondo-morata
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Galli, Isabel Alves

Mots clés

Mots clés libres

Biophysique

Chimie

Membrane

Tango

Snare

Trafic vésiculaire

Biophysic

Chemistry

Membrane

Tango

Snare

Vesicular trafficking

Résumé

Les membranes biologiques sont constituées par un assemblage de lipides et de protéines et forment l’enveloppe entourant les cellules et assurent chez les cellules eucaryotes la comparti mentalisation en organelles. Les membranes sont des structures à la composition complexe et à la dynamique extrêmement régulée, rendant leurs compréhensions complexes, mais ouvrant par là même la voie à de multiples questions fondamentales. Une approche privilégiée pour com prendre les processus membranaires consiste à les reproduire in vitro, afin de les simplifier au maximum, d’en identifier les éléments essentiels et leurs interactions, et de les modéliser à l’aide de différents formalismes. Les expériences in vivo ne permettant pas de découplage moléculaire, les systèmes in vitro constituent les dispositifs expérimentaux les plus appropriés pour décrire et analyser la contribution de ces interactions moléculaires dans les processus biologiques. Dans cette thèse, nous soulevons la question de savoir comment des interactions fortes, directionnelles et de courte portée entre les lipides et des cations d’importance biologique peuvent affecter les membranes, et par conséquent influencer la fonction de protéines membranaires telles que les SNAREs — protéines responsables de la fusion de membranes — sans pour autant interagir directement avec elles. Dans un premier temps, nous présentons une technique de microfluidique permettant la for mation de membranes suspendues, asymétriques et fonctionnalisées par des protéines SNAREs, offrant la possibilité de mesurer à haute résolution la cinétique de fusion de vésicules avec la membrane, via des mesures de courant. Nous explorons ensuite comment les SNAREs — pro téines effectrices de la fusion membranaire dans de nombreux organismes — s’assemblent et fournissent l’énergie nécessaire à la fusion de membranes. Nous nous attardons en détail sur leur assemblage et leur dynamique à l’échelle moléculaire, puis sur la description de leur activité à l’aide de modèles physiques et cinétiques. Forts de cette première description, nous montrons ensuite, à l’aide de systèmes modèles in vitro, comment les interactions lipide-cation affectent la fusion membranaire. Nous utilisons ensuite un modèle cinétique pour estimer la variation de la barrière énergétique de fusion en présence de cations interagissant avec la membrane. Cette étude nous conduit à explorer plus en détail comment le lithium — médicament important dans le traitement des troubles bipolaires — affecte la fusion membranaire catalysée par les SNAREs. Ce travail ouvre la voie à une nouvelle compréhension du mécanisme thérapeutique encore mal connu du lithium. Enfin, nous nous intéressons à un autre mécanisme membranaire impliquant la protéine TANGO, essentielle au transport du procollagène du réticulum endoplasmique vers l’appareil de Golgi. Le mécanisme d’export du procollagène par TANGO a fait l’objet de plu sieurs hypothèses non confirmées. À travers l’utilisation de modèles physico-chimiques, nous montrons qu’une force motrice plausible pour cet export repose sur le maintien d’un gradient de protons entre les deux organelles, le modèle proposé prédisant des vitesses d’export comparables à celles mesurées à l’échelle cellulaire. En résumé, cette thèse montre comment les interactions de cations avec la membrane ou avec certaines protéines peuvent influencer divers processus membranaires, en combinant des approches expérimentales et théoriques.

Biological membranes are composed of lipids and proteins, self-assembling to form the enve lope that surrounds cells and, in eukaryotic cells, ensures compartmentalization into organelles. Membranes are structures with a complex composition and highly regulated dynamics, making them difficult to understand, but at the same time raising numerous fundamental questions. A favored approach to understanding membrane processes consists in reproducing them in vitro, in order to simplify them as much as possible, to identify their essential components and inter actions, and to model them using various formalisms. Since in vivo experiments do not allow for molecular decoupling, in vitro systems represent the most suitable experimental setups to describe and analyze the contribution of these molecular interactions in biological processes. In this thesis, we address the question of how strong, directional, and short-range interactions bet ween lipids and biologically relevant cations can affect membranes, and consequently influence the function of membrane proteins such as SNAREs — the proteins responsible for membrane fusion — without directly interacting with them. Wefirst present a microfluidic technique that enables the formation of suspended, asymmetric membranes functionalized with SNARE proteins. This setup allows for high-resolution measure ment of vesicle–membrane fusion kinetics via electrical current measurements. We then explore how SNAREs assemble and provide the energy required for membrane fusion. We focus in detail on their molecular-scale assembly and dynamics, and then describe their activity using physi cal and kinetic models. Building on this initial characterization, we show using in vitro model systems how lipid–cation interactions influence membrane fusion. We use a kinetic model to estimate the change in the energy barrier of fusion in the presence of cations interacting with the membrane. This study then leads us to investigate in more detail how lithium, a key drug in the treatment of bipolar disorder, affects SNARE-mediated membrane fusion, opening the way to a new understanding of the therapeutic mechanism of a drug that is both specific and poorly understood. Finally, we focus on another membrane process involving the TANGO protein, es sential for the transport of procollagen from the endoplasmic reticulum to the Golgi apparatus. The mechanism of procollagen export by TANGO has been the subject of several unconfirmed hypotheses. Using physico-chemical modeling, we show that a plausible driving force for this export lies in the maintenance of a proton gradient between the two organelles. The proposed model predicts export rates consistent with those measured at the cellular scale. In summary, this thesis presents how cation interactions with membranes or proteins can impact various membrane processes by combining experimental and theoretical approaches.