Thèse la Stabilité de la Matière Vivante Étudiée par des Méthodes de Physique H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique
Direction de la thèse : Judith PETERS ORCID 0000000151517710
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-11T23:59:59

Le problème du repliement des protéines vise à prédire la structure tridimensionnelle stable des protéines à partir de leur séquence d'acides aminés. Depuis des décennies, la compréhension de ce phénomène complexe représente un défi pour les scientifiques. L'arrivée du code AlphaFold basé sur l'IA en 2016 a révolutionné le domaine en fournissant des prédictions précises, mais elle a également soulevé des questions concernant son recours à des méthodes statistiques, limitant la compréhension des principes physiques sous-jacents.
Pour étudier la stabilité des protéines, qui est étroitement liée à leur fonctionnalité, une approche classique consiste à essayer de comprendre comment les protéines maintiennent leur intégrité structurelle dans des conditions extrêmes telles que la température et la pression hydrostatique élevée, évitant ainsi un phénomène connu sous le nom de dénaturation, bien que par des mécanismes différents. Il est essentiel de comprendre la relation entre les effets de la température et de la pression pour établir un diagramme de phase pression-température (P-T) complet, une étape cruciale pour appréhender la stabilité et la fonction des protéines dans des environnements cellulaires variables.
Notre projet vise à approfondir notre compréhension du dépliement des protéines en utilisant diverses techniques expérimentales, telles que des méthodes avancées utilisant des sources de neutrons et de rayons X, combinées à des conditions de pression et de température variables. Ces données seront complétées par des spectroscopies FT-IR, CD et RMN, dont nos collaborateurs sont spécialistes, ainsi que par la calorimétrie.
Les variations structurelles dues aux conditions externes ont déjà été largement utilisées. En revanche, on en sait très peu sur la dynamique moléculaire associée, qui est indispensable à la fonctionnalité. La diffusion neutronique incohérente est ici la technique la plus appropriée pour en savoir plus sur le type de mouvements liés aux transitions et au dépliage des protéines. De plus, la variation de contraste permet d'étudier séparément la dynamique de la protéine et celle de son eau d'hydratation.
À partir de ces données, nous souhaitons reconstituer une image complète et complémentaire des mécanismes impliqués. Nous nous efforcerons d'aborder des questions cruciales concernant les mécanismes moléculaires de la dénaturation des protéines par le froid, la chaleur et la haute pression à l'aide de méthodes physiques. Notre objectif est de déterminer une description thermodynamique et atomique complète des mécanismes de dénaturation, afin de comprendre comment les dépendances pression-température des forces de liaison influencent les transitions.

Le problème du repliement des protéines consiste à prédire la structure tridimensionnelle énergétiquement stable adoptée par une protéine directement à partir de la séquence d'acides aminés. Pendant des décennies, les prédictions de la structure des protéines à partir des principes fondamentaux sont restées un objectif difficile à atteindre en raison de la grande complexité du problème multidimensionnel inhérent, un fait qui a été qualifié de « l'une des questions non résolues de la science ». Avec l'avènement du code AlphaFold basé sur l'apprentissage automatique (ML) en 2016, la prédiction de la structure est devenue possible et donne des résultats étonnamment bons dans de nombreux cas, mais pas tous. Malgré leur succès, les techniques d'apprentissage automatique sont largement critiquées car elles reposent sur des méthodes statistiques et des connaissances déjà acquises, ce qui ne permet pas de comprendre pleinement les principes physiques prédits et d'envisager des scénarios totalement nouveaux qui ne sont pas encore présents dans la base de données d'apprentissage. Il est donc essentiel d'accompagner le succès de l'apprentissage automatique d'une exploration approfondie des forces qui déterminent le repliement des protéines afin d'acquérir une compréhension fondamentale des phénomènes physiques.
Une façon d'étudier la stabilité des protéines consiste à comprendre comment celles-ci empêchent le dépliage, un phénomène appelé dénaturation, lorsqu'elles sont soumises à des conditions extrêmes, telles que la température et la pression. La chaleur est probablement l'agent dénaturant le mieux caractérisé. On sait beaucoup moins que les basses températures peuvent également provoquer la dénaturation des protéines. Contrairement à la chaleur, la dénaturation par le froid est généralement un processus réversible, ce qui suggère un mécanisme moteur différent. La haute pression hydrostatique (HHP) est un autre agent dénaturant qui, outre son intérêt physique intrinsèque, permet de modifier les températures de dénaturation, faisant de la température et de la pression deux paramètres étroitement liés. La détermination du diagramme de phase pression-température (P-T) du dépliage des protéines est donc une étape cruciale pour comprendre comment les protéines réagissent au stress : elle fournit un cadre unifié pour la dénaturation par la chaleur, le froid et la pression et identifie les points critiques où les changements structurels sont amplifiés. Ces connaissances sont essentielles pour comprendre la stabilité, la fonction et le mauvais repliement des protéines dans les systèmes biologiques.
L'objectif de cette proposition est de repousser les limites de notre compréhension du dépliement des protéines et des forces qui déterminent leur structure, en utilisant de nouvelles possibilités expérimentales passionnantes qui ne sont disponibles que depuis peu dans les sources de neutrons et de rayons X. Nous voulons comprendre comment les variations de température et de pression affectent le paysage énergétique libre des protéines, c'est-à-dire comment le dépliement des protéines et donc leur dénaturation sont régis par différentes forces ou effets thermodynamiques. En particulier, les variations de la dynamique moléculaire autour de la température ou de la pression de transition n'ont pas encore été étudiées. La diffusion inélastique des neutrons est un outil idéal pour obtenir des informations sur ces questions en fonction de la température et de la pression.

L'objectif du projet est de caractériser complètement la dénaturation des protéines en fonction de la température et de la pression. Certaines études suggèrent que la pression affecte moins la structure secondaire des protéines que la température. Cela contraste avec les formalismes actuellement utilisés pour décrire la stabilité des protéines dans le plan P,T, qui supposent que la protéine
se trouve dans deux états seulement : natif et dénaturé. La réalité est beaucoup plus complexe que cela. Nous travaillerons avec une série de protéines, à savoir la frataxine Yfh1, le lysozyme et la myoglobine, représentatifs de la classe des protéines globulaires à conformation en hélice alpha uniquement, la protéine antigel III (AFP-III), qui contient quelques feuillets bêta et de nombreuses boucles. Nous sonderons leur comportement de phase dans le plan pression-température, caractériserons le changement de structure et de dynamique de la protéine et déterminerons les paramètres thermodynamiques associés au processus de dénaturation.

La caractérisation thermodynamique du processus de dénaturation et la détermination du diagramme de stabilité P,T seront entreprises en utilisant la microcalorimétrie, la densitométrie, la diffusion de la lumière et la spectroscopie UV/Vis. Les diagrammes de phase de stabilité P,T seront déterminés en utilisant la diffusion de la lumière couplée aux cellules haute pression, qui couvrent une très large gamme de températures (-20 - 80 °C) et de pressions (1-3000 bar). Des expériences de diffusion quasi-élastique des neutrons seront réalisées sur différents spectromètres de l'ILL, qui nous permettent d'extraire des informations sur les mouvements locaux de la protéine et de l'eau et
sur les mouvements globaux de la protéine, respectivement.
La diffusion aux petits angles sera essentielle pour déterminer les changements dans la structure et dans l'interaction inter-protéine en fonction de la pression et de la température. Bien que pour la détermination de la structure des protéines, les rayons X soient généralement préférés à la diffusion des neutrons, nous utiliserons l'environnement unique d'échantillons à haute pression disponible pour
les machines SANS de l'ILL. Les expériences SANS à pression ambiante seront complétées par des expériences SAXS. Nous avons également une collaboration avec des collègues à Montpellier et entreprendrons des expériences RMN qui donnent aussi accès à des informations structurales. Si le temps le permet, nous aimerions simuler au moins une protéine par dynamique moléculaire pour obtenir des informations détaillées sur les processus de dénaturation.