Daniela Russo, Maya Dimova Lambreva, Christiane Alba Simionesco, Pierre Sebban,and Giuseppina Rea

Studies on the dynamical properties of photosynthetic membranes of land plants and purple bacteria have been previously performed by neutron spectroscopy, revealing a tight coupling between specific photochemical reactions and macromolecular dynamics. Here, we probed the intrinsic dynamics of biotechnologically useful mutants of the green alga Chlamydomonas reinhardtii by incoherent neutron scattering coupled with prompt chlorophyll fluorescence experiments. We brought to light that single amino acid replacements in the plastoquinone (PQ)-binding niche of the photosystem II D1 protein impair electron transport (ET) efficiency between quinones and confer increased flexibility to the host membranes, expanding to the entire cells. Hence, a more flexible environment in the PQ-binding niche has been associated to a less efficient ET.Asimilar function/dynamics relationship was also demonstrated in Rhodobacter sphaeroides reaction centers having inhibited ET, indicating that flexibility at the quinones region plays a crucial role in evolutionarily distant organisms. Instead, a different functional/dynamical correlation was observed in algal mutants hosting a single amino acid replacement residing in a D1 domain far from the PQ-binding niche. Noteworthy, this mutant displayed the highest degree of flexibility, and besides having a nativelike ET efficiency in physiological conditions, it acquired novel, to our knowledge, phenotypic traits enabling it to preserve a high maximal quantum yield of photosystem II photochemistry in extreme habitats. Overall, in the nanosecond timescale, the degree of the observed flexibility is related to the mutation site; in the picosecond timescale, we highlighted the presence of a more pronounced dynamic heterogeneity in all mutants compared to the native cells, which could be related to a marked chemically heterogeneous environment.

DOI : https://doi.org/10.1016/j.bpj.2019.03.029

 

D. Russo, A. De Angelis, A. Paciaroni, B. Frick, N. de Sousa, F. R. Wurm, and J. Teixeira

We investigate the relaxation dynamics of proteinpolymer conjugates by neutron scattering spectroscopy to understand to which extent the coating of a protein by a polymer can replace water in promoting thermal structural fluctuations. For this purpose, we compare the dynamics of proteinpolymer mixtures to that of conjugates with a variable number of polymers covalently attached to the protein. Results show that the flexibility of the protein is larger in proteinpolymer mixtures than in native protein or in conjugates, even in the dry state. Upon hydration, both the native protein and the conjugate show equivalent dynamics, suggesting that the polymer grafted on the protein surface adsorbs all water molecules.

http://dx.doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b03636

A. Theodoratou, L.-T. Lee, J. Oberdisse and A. Aubert-Pouëssel, Langmuir 35(20) (2019) 6620.

Abstract :

Nanofilms of about 2 nm thickness have been formed at the air–water interface using functionalized castor oil (ICO) with cross-linkable silylated groups. These hybrid films represent excellent candidates for replacing conventional polymeric materials in biomedical applications, but they need to be optimized in terms of biocompatibility, which is highly related to protein adsorption. Neutron reflectivity has been used to study the adsorption of two model proteins, bovine serum albumin and lysozyme, at the silylated oil (ICO)–water interface in the absence and presence of salt at physiologic ionic strength and pH and at different protein concentrations. These measurements are compared to adsorption at the air–water interface. While salt enhances adsorption by a similar degree at the air–water and oil–water interfaces, the impact of the oil film is significant with adsorption at the oil–water interface 3–4-fold higher compared to that at the air–water interface. Under these conditions, the concentration profiles of the adsorbed layers for both proteins indicate multilayer adsorption. The thickness of the outer layer (oil side) is close to the dimension of the minor axis of the protein molecule, ∼30 Å, suggesting a sideway orientation with the long axis parallel to the interface. The inner layer extends to 55–60 Å. Interestingly, in all cases, the composition of the oil film remains intact without significant protein penetration into the film. The optimal adsorption on these nanofilms, 1.7–2.0 mg·m-2, is comparable to the results obtained recently on thick solid cross-linked films using a quartz crystal microbalance and atomic force microscopy, showing in particular that adsorption at these ICO film interfaces under standard physiological conditions is nonspecific. These results furnish useful information toward the elaboration of vegetable oil-based nanofilms in direct nanoscale applications or as precursor films in the fabrication of thicker macroscopic films for biomedical applications.

https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b00186

"Dynamics properties of photosynthetic microorganisms probed by incoherent neutron scattering"
Daniela Russo, Maya Dimova Lambreva, Christiane Alba Simionesco, Pierre Sebban, and Giuseppina Rea
Biophysical Journal, 116 (9) (2019) 1759-1768

Studies on the dynamical properties of photosynthetic membranes of land plants and purple bacteria have been previously performed by neutron spectroscopy, revealing a tight coupling between specific photochemical reactions and macromolecular dynamics. Here, we probed the intrinsic dynamics of biotechnologically useful mutants of the green alga Chlamydomonas reinhardtii by incoherent neutron scattering coupled with prompt chlorophyll fluorescence experiments. We brought to light that single amino acid replacements in the plastoquinone (PQ)-binding niche of the photosystem II D1 protein impair electron transport (ET) efficiency between quinones and confer increased flexibility to the host membranes, expanding to the entire cells. Hence, a more flexible environment in the PQ-binding niche has been associated to a less efficient ET.Asimilar function/dynamics relationship was also demonstrated in Rhodobacter sphaeroides reaction centers having inhibited ET, indicating that flexibility at the quinones region plays a crucial role in evolutionarily distant organisms. Instead, a different functional/dynamical correlation was observed in algal mutants hosting a single amino acid replacement residing in a D1 domain far from the PQ-binding niche. Noteworthy, this mutant displayed the highest degree of flexibility, and besides having a nativelike ET efficiency in physiological conditions, it acquired novel, to our knowledge, phenotypic traits enabling it to preserve a high maximal quantum yield of photosystem II photochemistry in extreme habitats. Overall, in the nanosecond timescale, the degree of the observed flexibility is related to the mutation site; in the picosecond timescale, we highlighted the presence of a more pronounced dynamic heterogeneity in all mutants compared to the native cells, which could be related to a marked chemically heterogeneous environment.

B. Annighöfer , A. Hélary, A. Brulet, A. Colas de la Noue, C. Loupiac and S. Combet
Review of Scientific Instruments 90 (2019) 025106

Abstract :

We report on a high pressure (HP) cell designed for the determination of the structure of molecular solutions by small-angle neutron scattering (SANS). The HP cell is fitted up with two thick metallic windows that make the device very resistant under hydrostatic pressures up to 600 MPa (or 6 kbar). The metallic windows are removable, offering the possibility to adapt the HP cell to a given study with the pressure desired on an appropriate spatial range to study the structure of various molecular solutions by SANS. In this context, we report the absorption, transmission, and scattering properties of different metallic windows. Finally, we describe, as a proof of principle, the solution structure changes of myoglobin, a small globular protein.

https://doi.org/10.1063/1.5051765

Cette étude propose une méthode innovante de détection de protéines intracellulaires qui associe fluorescence et résonance magnétique, en combinant l’utilisation d’un fluorophore activable de très petite taille et l’exploitation de la grande sensibilité d’un traceur RMN non toxique, le xénon, dont le spin nucléaire est hyperpolarisé. Les biosondes ainsi constituées sont ainsi doublement activables, combinant un signal de fluorescence et un signal de RMN du xénon-129 spécifiques lorsque la cible est rencontrée.

Andrés Marcoleta, Frank Wien, Véronique Arluison, Rosalba Lagos, Rafael Giraldo
Bacterial Amyloids (2019)

Amyloids are supramolecular protein assemblies based on fibrillar arrangements of β‐sheets that were first found as linked to neurodegenerative and systemic human diseases. However, there is now overwhelming evidence on alternative roles of amyloids as functional assemblies and as epigenetic determinants of beneficial traits, both in Fungi and Metazoa. Bacteria also use amyloids as functional devices, mainly as extracellular scaffolds in biofilms, but there is increasing evidence for functional roles of amyloids in the bacterial cytosol, and these have enabled to engineer minimal models of a ‘generic’ amyloid disease. Amyloids are thus key players in the physiology of bacteria and versatile building blocks in synthetic biology.

 

Burkhard Annighöfer, Arnaud Hélary, Annie Brûlet, Alexandre Colas de la Noue, Camille Loupiac, and Sophie Combet

We report on a high pressure (HP) cell designed for the determination of the structure of molecular solutions by small-angle neutron scattering (SANS). The HP cell is fitted up with two thick metallic windows that make the device very resistant under hydrostatic pressures up to 600 MPa (or 6 kbar). The metallic windows are removable, offering the possibility to adapt the HP cell to a given study with the pressure desired on an appropriate spatial range to study the structure of various molecular solutions by SANS. In this context, we report the absorption, transmission, and scattering properties of different metallic windows. Finally, we describe, as a proof of principle, the solution structure changes of myoglobin, a small globular protein.

https://doi.org/10.1063/1.5051765

Sophie Combet, Fabrice Cousin, Human Rezaei, Sylvie Noinville

Soluble oligomers of prion proteins (PrP), produced during amyloid aggregation, have emerged as the primary neurotoxic species, instead of the fibrillar end-products, in transmissible spongiform encephalopathies. However, whether the membrane is among their direct targets, that mediate the downstream adverse effects, remains a question of debate. Recently, questions arise from the formation of membrane-active oligomeric species generated during the β-aggregation pathway, either in solution, or in lipid environment. In the present study, we characterized membrane interaction of off-pathway oligomers from recombinant prion protein generated along the amyloid aggregation and compared to lipid-induced intermediates produced during lipid-accelerated fibrillation. Using calcein-leakage assay, we show that the soluble prion oligomers are the most potent in producing leakage with negatively charged vesicles. Binding affinities, conformational states, mode of action of the different PrP assemblies were determined by thioflavin T binding-static light scattering experiments on DOPC/DOPS vesicles, as well as by FTIR-ATR spectroscopy and specular neutron reflectivity onto the corresponding supported lipid bilayers. Our results indicate that the off-pathway PrP oligomers interact with lipid membrane via a distinct mechanism, compared to the inserted lipid-induced intermediates. Thus, separate neurotoxic mechanisms could exist following the puzzling intermediates generated in the different cell compartments. These results not only reveal an important regulation of lipid membrane on PrP behavior but may also provide clues for designing stage-specific and prion-targeted therapy.

https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2018.12.001

 

Dans un article publié le 28 décembre 2018 dans PNAS [1], le groupe d’Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC), en collaboration avec celui de Hepeng Zhang à l’Université Jiao Tong de Shanghai, a réussi à modéliser quantitativement la structure et la dynamique des défauts topologiques d’un cristal liquide actif fait de bactéries. Ce résultat constitue une étape importante dans l’évolution de la physique de la matière active en une discipline mature, notamment en vue des nombreuses applications attendues de ces systèmes.

 

Raphael Dos Santos Morais, Olivier Delalande, Javier Perez, Dominique Mias-Lucquin, Melanie Lagarrigue, Anne Martel, Anne-Elisabeth Molza, Angelique Cheron, Celine Raguenes-Nicol, Thomas Chenuel, Arnaud Bondon, Marie-Sousai Appavou, Elisabeth Le Rumeur, Sophie Combet, and Jean-Francois Hubert

Scaffolding proteins play important roles in supporting the plasma membrane (sarcolemma) of muscle cells. Among them, dystrophin strengthens the sarcolemma through protein-lipid interactions, and its absence due to gene mutations leads to the severe Duchenne muscular dystrophy. Most of the dystrophin protein consists of a central domain made of 24 spectrin-like coiled-coil repeats (R). Using small angle neutron scattering (SANS) and the contrast variation technique, we specifically probed the structure of the three first consecutive repeats 1–3 (R1–3), a part of dystrophin known to physiologically interact with membrane lipids. R1–3 free in solution was compared to its structure adopted in the presence of phospholipid-based bicelles. SANS data for the protein/lipid complexes were obtained with contrast-matched bicelles under various phospholipid compositions to probe the role of electrostatic interactions. When bound to anionic bicelles, large modifications of the protein threedimensional structure were detected, as revealed by a significant increase of the protein gyration radius from 42 5 1 to 60 5 4 A . R1–3/anionic bicelle complexes were further analyzed by coarse-grained molecular dynamics simulations. From these studies, we report an all-atom model of R1–3 that highlights the opening of the R1 coiled-coil repeat when bound to the membrane lipids. This model is totally in agreement with SANS and click chemistry/mass spectrometry data. We conclude that the sarcolemma membrane anchoring that occurs during the contraction/elongation process of muscles could be ensured by this coiled-coil opening. Therefore, understanding these structural changes may help in the design of rationalized shortened dystrophins for gene therapy. Finally, our strategy opens up new possibilities for structure determination of peripheral and integral membrane proteins not compatible with different high-resolution structural methods.

Dos Santos Morais R et al. Biophys J 115: 1231–1239, 2018.

https://doi.org/10.1016/j.bpj.2018.07.039

 

Maelenn Chevreuil, Didier Law-Hine, Jingzhi Chen, Stéphane Bressanelli, Sophie Combet, Doru Constantin, Jéril Degrouard, Johannes Möller, Mehdi Zeghal and Guillaume Tresset

The survival of viruses partly relies on their ability to self-assemble inside host cells. Although coarse-grained simulations have identified different pathways leading to assembled virions from their components, experimental evidence is severely lacking. Here, we use timeresolved small-angle X-ray scattering to uncover the nonequilibrium self-assembly dynamics of icosahedral viral capsids packaging their full RNA genome. We reveal the formation of amorphous complexes via an en masse pathway and their relaxation into virions via a synchronous pathway. The binding energy of capsid subunits on the genome is moderate (~7kBT0, with kB the Boltzmann constant and T0 = 298 K, the room temperature), while the energy barrier separating the complexes and the virions is high (~ 20kBT0). A synthetic polyelectrolyte can lower this barrier so that filled capsids are formed in conditions where virions cannot build up. We propose a representation of the dynamics on a free energy landscape.

DOI : https://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-05426-8

Unravelling a mechanism of action for a cecropin a‑melittin hybrid antimicrobial peptide: the induced formation of multilamellar lipid stacks
T. Silva, B. Claro, B. F. B. Silva, N. Vale, P. Gomes, M.-S. Gomes, S. S. Funari, J. Teixeira, D. Uhríková, and M. Bastos, Langmuir, 2018, 34 (5), pp 2158–2170.

An understanding of the mechanism of action of antimicrobial peptides is fundamental to the development of new and more active antibiotics. In the present work, we use a wide range of techniques (SANS, SAXD, DSC, ITC, CD, and confocal and electron microscopy) in order to fully characterize the interaction of a cecropin A-melittin hybrid antimicrobial peptide, CA(1-7)M(2-9), of known antimicrobial activity, with a bacterial model membrane of POPE/POPG in an effort to unravel its mechanism of action.

We found that CA(1-7)M(2-9) disrupts the vesicles, inducing membrane condensation and forming an onionlike structure of multilamellar stacks, held together by the intercalated peptides. SANS and SAXD revealed changes induced by the peptide in the lipid bilayer thickness and the bilayer stiffening in a tightly packed liquid-crystalline lamellar phase. The analysis of the observed abrupt changes in the repeat distance upon the phase transition to the gel state suggests the formation of an Lγ phase. To the extent of our knowledge, this is the first time that the Lγ phase is identified as part of the mechanism of action of antimicrobial peptides. The energetics of interaction depends on temperature, and ITC results indicate that CA(1-7)M(2-9) interacts with the outer leaflet. This further supports the idea of a surface interaction that leads to membrane condensation and not to pore formation.

As a result, we propose that this peptide exerts its antimicrobial action against bacteria through extensive membrane disruption that leads to cell death.

http://dx.doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b03639

Dans un article publié le 17 Mai 2018, dans la revue Cell, l'équipe dirigée par Guillaume Duménil à l'Institut Pasteur, en collaboration avec le groupe d’Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC) et celui de Raphaël Voituriez (UPMC), décrypte une étape clé de l’infection causée par le méningocoque, un pathogène humain responsable de méningites chez les nourrissons et les jeunes adultes. Malgré une prise en charge rapide, le taux de mortalité dû à ces infections reste très important.

La modélisation statistique permet de rendre compte des interactions conduisant à la formation des agrégats bactériens observés. L'étude révèle un nouveau type de matière active basée sur la présence des forces attractives intermittentes entre ses éléments constituants.

La diffusion des macromolécules dans les cellules ne suit généralement pas des lois simples de diffusion du fait de la grande quantité et diversité de molécules présentes dans ce milieu. Les globules rouges présentent un cas particulier de cellules composées quasi-exclusivement d’une seule protéine presque sphérique : l’hémoglobine, reconnue depuis longtemps comme augmentant par sa diffusion le transport d’oxygène à travers une solution.

L'objectif de notre étude a été d’essayer de comprendre si la diffusion de l’hémoglobine au sein du globule rouge modifie la cinétique de capture d’oxygène par la cellule. Cette diffusion a été mesurée en solution pour plusieurs concentrations, par spectrométrie à écho de spin de neutrons. Par cette technique on observe que cette diffusion reste brownienne jusqu’à des concentrations physiologiques, et reste similaire pour une même concentration, au sein des globules rouges et en solution. Il est enfin remarquable de constater que la concentration en hémoglobine dans les globules rouges correspond à un optimum du transport d’oxygène.

Les télomères*, régions de l’ADN situées sur les extrémités des chromosomes, jouent un rôle important dans la division cellulaire, la cancérogénèse et le vieillissement. Leur fonction biologique peut être perturbée par des dommages oxydatifs, que l' on pensait uniquement provoqués par l’interaction de l’ADN avec d’autres molécules (issues du métabolisme ou reliées à la pollution et la prise des médicaments) agissant comme oxydants.

Dans le cadre du projet ANR OPHID coordonnée par le LIDYL, et d’une Chaire d’Alembert (IDEX – Univ. Paris-Saclay) attribuée à R. Improta (accueilli au LIDYL), il est montré que la lumière ultraviolette de basse énergie, absorbée directement par de l’ADN télomérique, génère des radicaux conduisant à des dommages oxydatifs [1].


*Télomère : région hautement répétitive, donc a priori non codante, d'ADN présente à l'extrémité des chromosomes.

Raphael Dos Santos Morais, Olivier Delalande, Javier Pérez, Liza Mouret, Arnaud Bondon, Anne Martel, Marie-Sousai Appavou, Elisabeth Le Rumeur, Jean-François Hubert, and Sophie Combet

Obtaining structural information on integral or peripheral membrane proteins is currently arduous due to the difficulty of their solubilization, purification, and crystallization (for X-ray crystallography (XRC) application). To overcome this challenge, bicelles are known to be a versatile tool for high-resolution structure determination, especially when using solution and/or solid state nuclear magnetic resonance (NMR) and, to a lesser extent, XRC. For proteins not compatible with these high-resolution methods, small-angle X-ray and neutron scattering (SAXS and SANS, respectively) are powerful alternatives to obtain structural information directly in solution. In particular, the SANS-based approach is a unique technique to obtain low-resolution structures of proteins in interactions with partners by contrast-matching the signal coming from the latter. In the present study, isotropic bicelles are used as a membrane mimic model for SANS-based structural studies of bound peripheral membrane proteins. We emphasize that the SANS signal coming from the deuterated isotropic bicelles can be contrast-matched in 100% D2O-based buffer, allowing us to separately and specifically focus on the signal coming from the protein in interaction with membrane lipids. We applied this method to the DYS-R11–15 protein, a fragment of the central domain of human dystrophin known to interact with lipids, and we were able to recover the signal from the protein alone. This approach gives rise to new perspectives to determine the solution structure of peripheral membrane proteins interacting with lipid membranes and might be extended to integral membrane proteins.

Stehane Longeville et Laura-Roxana Stingaciu

Translational diffusion of macromolecules in cell is generally assumed to be anomalous due high macromolecular crowding of the milieu. Red blood cells are a special case of cells filled quasi exclusively (95% of the dry weight of the cell) with an almost spherical protein: hemoglobin. Hemoglobin diffusion has since a long time been recognized as facilitating the rate of oxygen diffusion through a solution. We address in this paper the question on how hemoglobin diffusion in the red blood cells can help the oxygen capture at the cell level and hence to improve oxygen transport. We report a measurement by neutron spin echo spectroscopy of the diffusion of hemoglobin in solutions with increasing protein concentration. We show that hemoglobin diffusion in solution can be described as Brownian motion up to physiological concentration and that hemoglobin diffusion in the red blood cells and in solutions at similar concentration are the same. Finally, using a simple model and the concentration dependence of the diffusion of the protein reported here, we show that hemoglobin concentration observed in human red blood cells (≃≃330 g.L−1) corresponds to an optimum for oxygen transport for individuals under strong activity.

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil puissant pour la biologie, permettant l'imagerie (IRM) ainsi que l'analyse structurelle et chimique des métabolites. Une collaboration de scientifiques de Nimbe, de Neurospin et de l'Université de Bordeaux a récemment conçu une sonde μRMN non invasive pour le profilage en ligne d'activités physiologiques métaboliques in vivo avec un capteur RMN de taille micro placé à proximité immédiate d'une sonde d'échantillonnage de microdialyse. Un tel dispositif est capable d'effectuer un diagnostic en temps réel, déchiffrant des activités métaboliques complexes.

 

An international team published in Nature, the discovery and interpretation of a surprising form of biological collective motion:  They observed that millions of motile cells in dense bacterial suspensions can self-organize into highly robust collective oscillatory motion, while individuals move in an erratic manner.  This "weak synchronization" phenomenon presents a novel mechanism of oscillatory behavior in multicellular systems and constitutes a new type of ordered active matter. Experimental evidence, together with a mathematical model developed by theorists Hugues Chaté from CEA-Saclay in France and Xia-qing Shi from Soochow University in mainland China, demonstrate that the self-organized collective oscillatory motion may result from spontaneous symmetry breaking of bacterial motion mediated by purely local interactions between individual cells.

 

 

La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique d'analyse puissante mais peu sensible. Des enjeux majeurs en analyse chimique (détection de produits en très faibles concentrations ou étude des effets isotopiques, notamment) incitent à rechercher de nouvelles méthodes pour détecter et séparer les signaux faibles des composantes principales du signal.

Pour ceci, une approche existe : au lieu d'appliquer une impulsion radiofréquence pour exciter le système, il est possible d'analyser l'autocorrélation du bruit du signal aux bornes de la bobine radiofréquence de détection RMN, qui est, par construction, fortement couplée avec les spins de l'échantillon à analyser. Dans le cadre d'un travail collaboratif avec une équipe de l'Université Johannes Kepler de Linz (Autriche), financée par une subvention conjointe ANR-FWF, une nouvelle théorie générale de ce type de détection a pu être établie, et montre la forte amélioration de sensibilité permise par la technique.

De plus, l'existence d'une signature spectrale due à l'inhomogénéité du champ magnétique statique est démontrée et elle fournit aussi une référence pour le déplacement chimique, non affectée par le couplage non linéaire entre l'aimantation de l'échantillon et la bobine de détection. Cette capacité de détection améliorée a pu être appliquée aux mesures d'effets isotopiques secondaires [1].

 

Après absorption dans l’UV, les biomolécules sont dotées de mécanismes de désactivation des états excités assurant leur photostabilité. Ces processus (ultra)rapides offrent en effet un moyen efficace de dissiper l’énergie sous forme de vibration, évitant ainsi les dommages structurels qui peuvent affecter la fonction biologique. Afin de déterminer et d’analyser les phénomènes physiques élémentaires qui contrôlent la durée de vie des états excités et d’établir le lien dynamique électronique-structure, nous avons développé une approche duale théorie-expérience combinant Chimie quantique et Spectroscopies laser. Le défi théorique de cette approche est double : i) identifier, dans ces systèmes complexes, les mouvements critiques favorisant la relaxation électronique et ii) décrire simultanément d’une façon équilibrée et précise des états électroniques multiples de nature très différente. Pour répondre à ce défi, une stratégie calculatoire multi-étapes et multi-niveaux innovante a été développée. L’application de cette stratégie couplée aux expériences rend alors possible une attribution précise des processus photophysiques de conversion de l’énergie dans les biomolécules.  La compréhension de ces processus de conversion de l’énergie est d’une importance fondamentale et présente un champ d’application potentiel englobant non seulement la biologie mais aussi la photochimie ou bien encore la science des matériaux.

Les mélanines sont une large classe de biopolymères responsables de la pigmentation chez l’homme. Les mélanines les plus courantes sont l'eumélanine et la phéomélanine, toutes les deux censées protéger les cellules de la peau à l'irradiation UVB, réduisant ainsi le risque de cancer de la peau.

Afin d'obtenir une meilleure compréhension des processus photo-induits impliqués, nous avons entrepris, en collaboration avec une équipe suédoise, une étude par spectroscopie de fluorescence femtoseconde des constituants de l'eumélanine en solution. Ce sont des oligomères de différentes tailles (dimères, trimères, …) formées par la molécule 5,6-dihydroxyindole-2-carboxylic acid (DHICA). Ces expériences ont mis en évidence un mécanisme très complexe impliquant divers processus de transfert de proton intra- et inter-moléculaires.

La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique d'analyse chimique très puissante. Au-delà du contraste usuel, fonction des temps de relaxation des spins nucléaires, le décalage en fréquence du signal RMN, issu d'atomes avec un environnement moléculaire différent ("décalage chimique"), offre une sélectivité spectroscopique.

Sur ce principe, des agents de contraste RMN sont obtenus en utilisant des atomes lourds engagés dans des complexes supramoléculaires. Le LSDRM a en particulier fait sa spécialité dans la conception de telles biosondes à base de RMN 129Xe, où le xénon polarisé en spin est encapsulé dans des molécules-cages fonctionnalisées par des ligands, conçus pour reconnaître des cibles spécifiques. Dans cette approche, l'effet de sélectivité spectrale (la résonance du xénon encagé prenant une fréquence spécifique, fonction par exemple de la nature précise de la cage) est ici complété par la haute sensibilité de la RMN apportée par l’hyperpolarisation de spin du gaz rare.

Pour concevoir et utiliser au mieux ces sondes, les équipes du LSDRM et du LCMCE de l'IRAMIS/NIMBE, en collaboration avec une équipe de l'IBiTec-S/SCBM, ont cherché à modéliser leurs paramètres RMN. Dans une publication dans Angewandte Chemie, ils rapportent les résultats remarquables obtenus par simulation, en excellent accord avec leurs résultats expérimentaux.

Les mouvements du groupement carbonyle du chromophore de la Photoactive Yellow Protein (PYP) ont été suivis pour la première fois par spectroscopie de dichroïsme circulaire (CD) femtoseconde, dans la gamme spectrale du proche ultraviolet. L’analyse quantitative des signaux CD montre qu’après l’absorption d’un photon, le groupement carbonyle du chromophore de PYP effectue un mouvement de rotation unidirectionnel ultra-rapide (<<0.8 ps), d’un angle de 17-53°. Pour le sous-ensemble de protéines qui n'entre pas dans le photocycle, l’analyse des signaux montre que le groupement carbonyle revient à sa position initiale pour former un état fondamental non-réactif de conformation trans qui restaure l'état fondamental initial en 3 ps.

Le transport et la distribution de médicaments dans l’organisme sont des mécanismes complexes régis par de nombreux processus différents. Un rôle important est joué par les protéines de transport, responsables de la fixation et la libération des médicaments. Améliorer la compréhension des facteurs qui contrôlent la structure et la dynamique de complexes médicament-protéine est aujourd’hui devenu un enjeu majeur.

Nous rapportons ici une étude récente [1] de l'interaction entre le flurbiprofène (FBP), un médicament anti-inflammatoire non-stéroïdien chiral, et l'albumine sérique humaine (HSA).

HSA est la protéine de transport la plus abondante dans le sang. Elle contient un tryptophane (Trp), acide aminé qui absorbe et émet dans l'UV comme le FBP. Ce tryptophane peut également interagir avec FBP après la photo-excitation via transfert d’énergie ou d’électron.

Compte tenu de la complexité du système FBP-HSA, deux dyades modèles (dénommées (S,S) et (R,S)), formées par le (S)- ou le (R)-FBP et le (S)-TrpMe (l’ester méthylique) liés de manière covalente, ont été synthétisées pour l'étude des processus primaires impliqués dans l'interaction FBP-Trp.

Pour étudier la dynamique de cette interaction, nous avons utilisé une combinaison de deux techniques de fluorescence résolue en temps; la génération de somme des fréquences, avec une résolution temporelle de ~100 femtosecondes, et le comptage du photon unique, avec une résolution temporelle de ~25 ps. En particulier, l’évolution temporelle de la fluorescence aux temps courts informe sur les interactions hors équilibre qui se produisent entre le médicament photo-excité et la protéine, ce qui peut apporter des informations précieuses sur la dynamique structurelle de l'ensemble.

Des mesures de spectroscopie stationnaire sur les dyades ont mis en évidence une inhibition important de fluorescence (> 90%) et que la faible émission résiduelle est due au résidu TrpMe. Cela a été pris comme une indication d’un transfert d'énergie FBP -> TrpMe. Une nouvelle bande, déplacée vers le rouge, (centré à 450 nm), a également été observée et attribuée à une émission de type « exciplex ».

Nos mesures de fluorescence résolue en temps (Figure 1) montrent que les déclins de fluorescence des dyades sont beaucoup plus rapides que ceux de du FBP ou TrpMe seuls, à la fois à 310 nm (maximum de fluorescence du FBP) et 340 nm (maximum de fluorescence du Trp). Ces résultats sont conformes à une inhibition dynamique très rapide de la fluorescence. Nous avons également pu mettre en évidence une stéréo-sélectivité importante; l‘émission de la dyade (R,S) décline plus rapide que celle de la dyade (S,S). Il est important de noter qu'aucune montée de la fluorescence à 340 nm (TrpMe) n’a pu être observée, ce qui ne permet pas de valider l'idée d’un transfert d'énergie.

Dans le cadre d’une collaboration entre l'IRAMIS/SIS2M et le DSV/iBiTec-S, une architecture moléculaire générique à base de cryptophane a été développée, donnant accès à des composés hydrosolubles et fonctionnalisables destinés à l’imagerie par résonance magnétique du 129Xe.

 

De nombreux systèmes moléculaires complexes absorbent la lumière dans l’UV, certains d’extrême importance pour la biologie, comme les bases de l’ADN ou les protéines. Les états excités peuplés par l’absorption UV bénéficient de mécanismes de désactivation d’importance majeure pour la photostabilité de ces espèces. Ces processus, souvent ultrarapides,  offrent un moyen rapide et efficace de dissiper l’excitation électronique sous forme de vibra tion, évitant ainsi les réactions photochimiques. L’absorption des protéines dans le domaine des proches UV est principalement due à la présence de systèmes aromatiques provenant des acides aminés phénylalanine, tyrosine et tryptophane.

La photophysique de ces chromophores UV dépend généralement de leur environnement proche, et donc de la conformation locale de la protéine. Une connaissance des phénomènes photophysiques mis en jeu lors de la relaxation électronique peut être approfondie à travers l’étude en phase gazeuse de petits peptides modèles mimant des fragments de protéines.  Une collaboration entre l’équipe SBM du Laboratoire Francis Perrin (CEA –CNRS URA2453), une équipe théorique de l’Institut Ruđer Bošković (Zagreb, Croatie - Projet HC-COGITO) et deux expérimentateurs du CLUPS (Paris Sud, Orsay) a permis de caractériser les états excités des conformères stables d’un peptide modèle et d’établir la nature des mécanismes de relaxation non radiative.1

En biologie et médecine, l'histopathologie est l'évaluation clinique des tissus, pour laquelle la RMN, technique incontournable, permet de déterminer la structure chimique des prélèvements. L’enjeu est ici de trouver une instrumentation et une méthode de RMN pour l'analyse automatisée de la composition métabolique des très petites quantités de matière biologique. La spectroscopie RMN haute résolution en rotation à l’angle magique (HRMAS : High-Resolution Magic Angle Spinning) présente justement l'avantage de permettre l'analyse de très faibles quantités (10 mg) avec une grande sensibilité.

Au-delà de cette technique, les chercheurs du NIMBE ont proposé une méthode de mesure à base de micro-bobines tournantes (MACS : Magic-Angle Coil Spinning) [1], dont le développement a été poursuivi dans 2 directions :

  • l'évaluation du potentiel et des limites de la méthode pour l'étude clinique de biopsies
  • le développement d'une méthode de micro-fabrication automatisée de résonateurs MACS, indispensable pour la diffusion de la méthode et le contrôle des coûts.

 

Avec les avancées des traitements du cancer utilisant des faisceaux d’ions (proton- et hadron-thérapie) [1], l’étude de l’interaction entre des particules ionisantes et des molécules d’intérêt biologique connaît un fort développement afin de comprendre les processus fondamentaux intervenant à l’échelle moléculaire. Les dommages induits par irradiation des tissus biologiques peuvent notamment se traduire par la rupture de certaines liaisons chimiques au sein de systèmes biomoléculaires complexes.

L’équipe AMA (Atomes, Molécules, Agrégats) de l’IRAMIS/CIMAP (Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique) à Caen, en collaboration avec l’équipe de chimie théorique de l’Université Autonome de Madrid en Espagne s’est intéressée à l’irradiation d’acides aminés en phase gazeuse avec des ions multichargés de basse énergie, et a obtenu une détermination complète de la dynamique de fragmentation de ces systèmes moléculaires complexes.

Les irradiations aux rayons ultra-violets A (UVA) sont connues pour être à l'origine de cancers de la peau. En considérant une molécule d'ADN modèle, les chercheurs du Laboratoire Francis Perrin (CNRS/CEA-IRAMIS, à Saclay) en collaboration avec un laboratoire du CEA-INAC, à Grenoble, ont exploré la façon dont les UVA agissent directement sur cette molécule complexe. Il est montré que l’interaction entre UVA et l'ADN modèle étudié résulte d’un comportement collectif des bases de la double hélice d’ADN. Mécanisme qui peut conduire à des lésions chimiques, pouvant être une cause de mutations cancérigènes.

 

Contacts IRAMIS/CIMAP : Philippe Boduch, Alicja Domaracka et Hermann Rothard.
Des premières expériences d'irradiation de glaces ternaires (H2O-CO-NH3) par des ions lourds conduites au GANIL par les chercheurs de l'IRAMIS/CIMAP ont permis de mettre en évidence la formation de molécules complexes pré-biotiques. Certaines hypothèses sur l'origine de la vie sur Terre proposent une origine extra-terrestre des briques élémentaires nécessaires à la vie. Les glaces cométaires ou entourant les grains de poussières des nuages denses interstellaires pourraient être ainsi le berceau de la formation de ces molécules prébiotiques. Le résultat obtenu montre que l'irradiation constante subie par ces glaces normalement inertes car très froides, permet la formation de ces molécules complexes.

Par comparaison avec des données expérimentales, spécifiquement obtenues dans ce but à l'IRAMIS/SPAM, il est possible de sélectionner la meilleure méthode ab initio, permettant de fixer les paramètres de modèles dits de "champ de force", pour reproduire fidèlement la structure d'assemblées d'atomes aussi complexe que celles constituant les protéines (macromolécule constituée d'acides aminés) ou les peptides (petits polymères d'acides aminés, n<50).

V. Brenner, F. Piuzzi, I. Dimicoli, B. Tardivel, and M. Mons SPAM/LFP

Un des grands mystères du monde vivant est qu'il n'est pas symétrique. Les molécules chimiques ou biologiques, comme les acides aminés, peuvent a priori exister sous deux formes asymétriques. Comme nos deux mains, ces deux formes ne sont pas superposables mais sont le reflet l’une de l’autre dans un miroir. De telles molécules, pour lesquelles on distingue une espèce "droite" et "gauche", sont dites "chirales"[1]. Dans les organismes vivants, les protéines sont cependant exclusivement constituées d’acides aminés de type "gauche". Cette sélection d'une seule des deux symétries est une des grandes énigmes scientifiques, à laquelle physiciens, chimistes et biologistes tentent de répondre.

Les protéines sont des chaînes extrêmement longues d'acides aminés. Chaque acide aminé s'ajoute par formation d'une liaison peptidique (CONH) et libération d’une molécule d’eau, laissant un résidu prolongeant la chaîne. Présentes dans les cellules, les protéines ainsi formées se replient et leur fonction dépend de leur conformation et pas uniquement de leur séquence. D'où l'importance de l'étude des mécanismes fondamentaux du repliement des protéines.

En étudiant le repliement de peptides simples formés de deux acides aminés par des approches couplant expérience et théorie, des chercheurs du Service des Photons, Atomes et Molécules du CEA-Saclay éclairent le problème de la chiralité de la vie d'un jour nouveau.
Le simple enchaînement des acides aminés (ou résidus) constitue la structure primaire d'une protéine. Le nombre de possibilités de repliements est très grand. Et pourtant chaque protéine se replie selon un ordre préétabli par sa séquence en suivant des niveaux successifs d'organisation, à commencer par les structures secondaires. Pour bien modéliser et comprendre la structure des protéines, il est donc important d'avoir une bonne description des interactions permettant le repliement en structures secondaires.

[1] Du grec chiros, qui signifie la main, racine des mots chirurgien, chiromancie, chiropraticien…
D. Markovitsi, T. Gustavsson, E. Lazzarotto, S. Marguet, D. Onidas, F. Talbot

Laboratoire Francis Perrin, CEA/ DSM/DRECAM/SPAM-CNRS URA 2453 F-91191 Gif-sur-Yvette, France

Tous les médecins nous mettent en garde contre les expositions sans protection au soleil pouvant provoquer coups de soleil, mais aussi à long terme, cancers de la peau. En effet, l'énergie apportée par la lumière déclenche des réactions chimiques, qui sont susceptibles d'entraîner une altération de la chaîne d'ADN, suffisante pour modifier le code génétique. Au-delà de l'identification des réactions pouvant se produire, de leur localisation et de leurs conséquences, il est tout aussi important de comprendre les mécanismes mis en jeu.

W. Chin, M. Mons, F. Piuzzi, J. P. Dognon, I. Dimicoli, B. Tardivel

SPAM / Lab. Francis Perrin (URA CEA-CNRS 2453), CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France

Les protéines, molécules indispensables à la vie des organismes vivants, sont des polymères synthétisés à partir de l’ADN des cellules. Leur fonction dépend de leur constitution mais aussi de leur structure. Ces molécules sont constituées de longues chaînes linéaires d'acides aminés (typiquement une centaine) ; c’est ce qu’on appelle la structure primaire des protéines. Si l’on réalise que 20 types différents d’acides aminés existent dans le vivant et que chacun d’eux peut présenter plusieurs structures différentes, on conçoit que cette stratégie ait donné lieu à une très grande diversité de structures et de fonctions. L’un des points clés contrôlant la structure des protéines est le processus de repliement conduisant le polymère linéaire à adopter une structure tridimensionnelle. La première phase du repliement conduit à la formation de structures-type, appelées structures secondaires, concernant un nombre restreint d’acides aminés de 2 à quelques dizaines, dont les plus connues sont les feuillets β ou les hélices α. Le repliement se poursuit ensuite par l’agencement relatif des structures secondaires entre elles.

 

 

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