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Les fibres amyloïdes sont souvent à l’origine de nombreuses maladies dégénératives telles que la maladie d’Alzheimer ou la maladie de Parkinson. La formation de ces plaques insolubles est due à une agrégation anormale de protéines. Les études structurales et biologiques des amyloïdes sont hautement complexes du fait de leur organisation sous forme de superstructures unidirectionnelles composées d’une infinité d’unités peptidiques ou protéiques, mais aussi à cause de leur hétérogénéité conformationnelle et polymorphique. Au cours de ces différents travaux de thèse en collaboration avec différents laboratoires d’analyses structurales, nous avons développé plusieurs outils de synthèse tant pour la formation de différents polymorphes de fibres amyloïdes que pour la formation d’espèces oligomériques de tailles conséquentes qui sont un challenge du point de vue synthétique et méthodologique mais aussi pour leur caractérisation. Ces différentes avancées permettront de mieux comprendre les mécanismes de formation de fibres amyloïdes et de préparer des échantillons homogènes pour les analyses structurales et biologiques. L’étude de modifications chimiques telles que la N-méthylation ou les polypeptides D est également un enjeu important pour l’élucidation des interactions protéine-protéine vis-à-vis des structures amyloïdogéniques et ainsi permettre l’élaboration de nouveaux composés inhibant la formation de plaques amyloïdes. / Amyloid fibrils are associated with many human disorders including Alzheimer’s or Parkinson’s diseases. The formation of insoluble plaques is the result of protein misfolding and aggregation due to abnormal conformational isomerization of the involved protein. The structural and biological studies of amyloids are highly complex. In this thesis, we report on the development of different synthetic methodologies for the preparation of distinct amyloid fibril polymorphs as homogeneous samples for structural and biological studies. We also synthesized covalently-tethered oligomers composed of nine copies of an amyloidogenic peptide segment, where we were able to control the self-assembly of the structure by insertion of N-methylated amino-acids and to obtain monomeric oligomers mimicking a cross section of an amyloid fibril. We also report on the chiral recognition of L-peptides and L-proteins towards corresponding D-enantiomers during amyloid formation. Moreover, we studied various N-methylated peptide analogues to suppress amyloid growth. Overall, the results obtained in this thesis pave the way towards rational design of peptide-based inhibitors and diagnostics against amyloid propagation.

La spectrométrie de masse est devenue un outil indispensable pour la recherche en protéomique, notamment grâce au développement récent de nouveaux spectromètres de masse comme l’Orbitrap et de nouvelles méthodes de dissociation. La stratégie « bottom-up » (analyse des mélanges de peptides protéolytiques) est la plus utilisée par son efficacement et sa simplicité par rapport à la stratégie top-down (analyse des peptides plus longs ou des protéines intactes), mais cette dernière permet une caractérisation plus complète des isoformes de protéines et des modifications post-traductionnelles.Les méthodes de dissociation utilisant des photons, comme la photodissociation dans le domaine ultra-violet (UVPD) et la dissociation multiphotonique infrarouge (IRMPD), ont reçu une grande attention comme approches alternatives aux méthodes de dissociation par collision. L'absorption du photon UV à haute énergie peut être « diluée » sur l'ensemble du peptide ou de la protéine et provoque une fragmentation étendue du squelette peptidique (liaisons C-C), tandis que les photons IR à faible énergie augmentent progressivement l'énergie interne et dissocient préférentiellement les liaisons amide (C-N) les plus labiles.Cette thèse est centrée sur le développement de méthodes et les applications pour une caractérisation structurale de biomolécules par des méthodes d'activation utilisant des photons. L'intérêt de combiner des photons infrarouges à faible énergie et des photons UV à haute énergie dans un spectromètre de masse Orbitrap, pour la caractérisation de petites protéines, a été évalué. En outre, la dissociation infrarouge multiphotonique a été implémentée dans un piège à ions électrostatique afin d’étendre les méthodes de fragmentation aux macromolécules de très haut poids moléculaires dans le domaine mégadalton. L'une des principales avancées de cette thèse a été d'adapter ces méthodes de spectrométrie de masse aux objets biomoléculaires, allant des petits peptides (dans la gamme de masse de kilodalton) à des fibres de protéines entières (dans la gamme de masse de mégadalton) / The structural characterization of proteins often required them to be fragmented into small units containing only few amino acids. In bottom-up approach, proteins are cleaved into small peptides by enzyme then these peptides are subjected to further fragmentation in a collision cell of a tandem mass spectrometer. However, in top-down approach, proteins can directly be dissociated (without enzyme) into small fragments by collision, electron and photon-driven dissociations. Photon-based activation methods including ultraviolet photodissociation (UVPD) and infrared multiphoton dissociation (IRMPD) have received great attention as an alternative to electron-driven and collision induced dissociation methods. Absorption of the high-energy UV photon is dispersed over the whole peptide or protein and stimulates extensive C?Ca backbone fragmentation while the low-energy IR photons gradually increases the internal energy and thus favorably dissociates the most labile amide (C?N) bonds. This thesis focuses on the method development and applications for characterizing biomolecules by photon-based activation methods. The interest of combining high-energy UV photons and low-energy IR photons in an Orbitrap mass spectrometer, for protein and post-translationally modified peptide characterization, has been evaluated. Moreover, infrared multiphoton dissociation has been implemented in a gated electrostatic ion trap to push forward the limit of fragmentation methods to large megadalton ions. One of the main breakthroughs in this thesis is the ability to adapt these method developments and applications to biomolecular objects ranging from small peptides (in kilodalton mass range) to entire protein fibrils (in megadalton mass range)

Ce travail de thèse propose de réaliser un nanofil électrique auto-assemblé constitué de protéines. L'unité de base de ce nanofil est une protéine chimère comprenant un domaine capable de former des fibres amyloïdes (Het-s 218-289) et un domaine capable d'effectuer des transferts d'électrons (une rubrédoxine). Le premier domaine permet la réalisation d'une fibre par auto-assemblage tandis que le deuxième est exposé à la surface de cette structure. Les caractéristiques redox du domaine exposé permettent aux électrons de se déplacer d'un bout à l'autre de la fibre par sauts successifs. Un tel nanofil a été créé et caractérisé par différentes techniques biophysiques. Ensuite, la preuve de la conduction des nanofils a été apportée sur des ensembles d'objets, de manière indirecte par électrochimie, et de manière directe par des mesures tension/courant. Ces travaux ouvrent la voie à la réalisation d'objets biocompatibles, biodégradables, possédant des propriétés électroniques exploitables dans des dispositifs technologiques. / The research described in this thesis aims at creating a self-assembled nanowire only made of proteins. The building block of this wire is a chimeric protein that comprises an amyloid fibril forming domain (Het-s 218-289) and an electron transfer domain (rubredoxin). The first one self-assembles in amyloid fibrils which display the second at their surface. Redox characteristics of the exposed domain allow electrons to move from one extremity of the fibril to the other by successive jumps. Such a nanowire has been created and characterized by various biophysical experiments. Then, the conductivity of the nanowires has been demonstrated on sets of wires by electrochemistry and by direct current measurements. These experiments pave the way for future design of biocompatible and biodegradable objects that possess usable electronic properties.

Nanomaterials such as graphene oxide and carbon nanotubes, have demonstrated excellent properties for membrane desalination, including decrease of maintenance, increase of flux rate, simple solution casting, and impressive chemical inertness. Here, two projects are studied to investigate nanocarbon based membrane desalination. The first project is to prepare hybrid membranes with amyloid fibrils intercalated with graphene oxide sheets. The addition of protein amyloid fibrils expands the interlayer spacing between graphene oxide nanosheets and introduces additional functional groups in the diffusion pathways, resulting in increase of flux rate and rejection rate for the organic dyes. Amyloid fibrils also provide structural assistance to the hybrid membrane, which supresses cracking and instability of graphene oxide sheets. The second project is to fabricate polymer nanocomposite membranes with carbon nanotubes encapsulated by polymerized surfactants. The designed polymerizable surfactant forms lyotropic liquid crystalline mesophases in an aqueous medium with hexagonal packing of cylindrical micelles. The adsorption of surfactants on the surface of carbon nanotubes allows a stable dispersion of carbon nanotubes encapsulated in the cylindrical micelles, resulting in the ordered structure. After photo-polymerization, the composite membranes display enhanced dye rejection. Both projects have shown promising ways to improve membrane filtration by using nanomaterials.

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L'α-Synuclein (αSyn) fibrillaire, impliqué dans la maladie de Parkinson et d’autres synucleinopathies, peut se propager entre cellules de manière « prion-like » et cette propagation est liée à la progression de la maladie. Durant cette étude, nous nous sommes tournés vers les chaperons moléculaires impliqués dans l’agrégation de l’αSyn ou bien dans sa toxicité afin de trouver des candidats capables d’interférer avec la propagation. Nous avons ensuite testé l’effet des chaperons capables de se lier aux fibres d’αSyn sur l’internalisation des fibres d’αSyn par les cellules Neuro-2a. Nous démontrons que l’interaction avec l’αSyn agrégeant avec αB-crystallin (αBc) ou Carboxyl terminus of Hsc70-interacting protein (CHIP) a mené à la formation de fibres qui sont moins internalisées par les cellules. Enfin, en passant par une stratégie de pontage chimique optimisé couplé à la spectrométrie de masse, nous avons identifié les zones d’interaction entre l’αSyn fibrillaire et soit αBc, soit CHIP. Ces résidus issus des chaperons, se trouvant à proximité des fibres d’αSyn dans les complexes, pourraient être développés dans des mini-chaperons peptidiques, capables d’enrober la surface des fibres et ainsi de bloquer la liaison à la membrane et l’internalisation des fibres. De surcroît, des polypeptides issus des partenaires précédemment identifiés d’αSyn ont été testé pour leur liaison aux fibres et leur effet sur la propagation des fibres. / Fibrillar α-Synuclein (αSyn) is the molecular hallmark of Parkinson’s Disease and other synucleinopathies. Its prion-like propagation between cells is linked to disease progression. In this study, we looked to molecular chaperones previously implicated in αSyn fibrillation and/or toxicity to identify proteins capable of binding αSyn fibrillar aggregates in order to target their propagation. We further assessed the effect of the fibril-binding chaperones on internalization of αSyn fibrils by Neuro-2a cells. We demonstrate that the interaction of aggregating αSyn with αB-crystallin (αBc) or Carboxyl terminus of Hsc70-interacting protein (CHIP) led to the formation of fibrils that are less internalized by cells. Finally, using an optimized chemical cross-linking and mass spectrometry strategy, we identified the interaction areas between fibrillar αSyn and either αBc or CHIP. These chaperone residues, located proximally to αSyn fibrils, could be subsequently developed into peptidic mini chaperones, capable of coating the fibril surface and thereby blocking fibrillar cell binding and internalization. Furthermore, polypeptides derived from previously identified αSyn binding partners were tested for their binding to αSyn fibrils and subsequent effect on fibril propagation.

La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) à l’état solide avec rotation à l’angle magique (MAS) est une technique de choix pour l’étude de la structure et de la dynamique de molécules biologiques peu ou non solubles. Un grand nombre d’approches ont été développées pour la reconstitution de structures tridimensionelles à partir de mesures précises de proximités internucléaires, ainsi que pour la détection de mouvements moléculaires avec une résolution atomique sur des échelles de temps couvrant plusieurs ordres de grandeur. Malgré d’impressionnants progrès, les études par RMN MAS sont cependant loin d’être réalisées en routine. Les déterminations structurelles et de dynamique sont souvent démontrées sur des préparations microcristallines modèles, mais sont encore rares pour des systèmes plus complexes tels que les fibrilles amyloïdes non cristallines ou les protéines trans-membranaires insérées dans des bi- couches lipidiques. Mon travail a pour objectif d’étendre les possibilités de la RMN MAS pour l’étude de systèmes biomoléculaires complexes dans différents états d’agrégation. Pour cela, j’ai exploité les possibilités uniques offertes par les hauts champs magnétiques (fréquence de Larmor du 1H 700, 800 et 1000 MHz) combinés avec les sondes MAS de dernières générations capables d’atteindre des vitesses de rotations supérieures à 60 kHz. Ces conditions expérimentales per- mettent d’augmenter la sensibilité de la RMN MAS à l’aide de la détection 1H à haute résolution et d’enrichir la palette de paramètres RMN rapporteurs de la dynamique des protéines. La première partie de cette thèse décrit le développement de nouvelles stratégies pour l’attribution des résonances du squelette de protéines, pour l’élucidation de structures, et pour l’étude de la dynamique du squelette peptidique et des chaînes latérales. Les méthodes présentées réduisent significative- ment les besoins en termes de temps expérimental, de quantités d’échantillon et de marquage isotopique, et permettent d’analyser par RMN des systèmes de plus hauts poids moléculaire. La seconde partie décrit l’application de la RMN MAS avec détection en 1H pour l’évaluation du rôle de la dynamique des protéines dans des processus tels que la formation de fibrilles amyloïdes et le fonctionnement de protéines membranaires. Une première application est l’étude de la tendance de la β-2 microglobuline humaine à former des fibrilles amyloïdes. Une comparaison de la dynamique du squelette peptidique de la protéine sauvage et du mutant D76N dans leur forme cristalline, ainsi que la détermination de propriétés structurales de la forme fibrillaire m’ont permis d’identifier la présence de repliements pathologiques et de formuler des hypothèses sur le mécanisme de formation des fibrilles. Finalement, la dynamique locale et globale de protéines membranaires dans des bicouches lipidiques a été étudiée. En particulier, le mécanisme d’action d’un transporteur d’alkanes, AlkL, de P. putida a été examiné dans un environnement lipidique. La détermination de paramètres pour la dynamique rapide (ps-ns) et lente (μs-ms) du squelette peptidique de la protéine en présence ou en absence de substrat met en évidence des acheminements possibles pour le transfert de molécules vers la membrane et jette les bases pour une meilleure compréhension du processus. / Solid-state NMR with magic angle spinning (MAS) has emerged as a powerful technique for investigating structure and dynamics of insoluble or poorly soluble biomolecules. A number of approaches has been designed for reconstructing molecular structures from the accurate measurement of internuclear proximities, and for probing motions at atomic resolution over timescales spanning several orders of magnitude. Despite this impressive progress, however, MAS NMR studies are still far from routine. Complete determinations, which are often demonstrated on model microcrystalline preparations, are still rare when it comes to more complex systems such as non-crystalline amyloid fibrils or transmembrane proteins in lipid bilayers. My work aimed at extending the possibilities of MAS NMR for applications on complex biomolecular systems in different aggregation states. For this, I exploited the unique possibilities provided by high magnetic fields (700, 800 and 1000 MHz 1H Larmor frequency) in combination with the newest MAS probes capable of spinning rates exceeding 60 kHz. These experimental conditions al- low to boost the sensitivity of MAS NMR through 1H detection at high resolution and to enrich the palette of probes for protein dynamics. The first part of the thesis reports on my contribution to the development of new strategies for backbone resonance assignment, for structure elucidation, and for investigation of backbone and side-chain dynamics. These methodologies significantly reduce the requirements in terms of experimental time, sample quantities and isotopic labeling, and enlarge the molecular size of systems amenable to NMR analysis. The second part describes the application of 1H detected MAS NMR to evaluate the role of protein dynamics in problems such as amyloid fibril formation and membrane protein function. I first addressed the amyloid fibril formation propensity of human beta-2 microglobulin, the light chain of the major histocompatibility complex I. I performed comparative studies of backbone dynamics of the wild type protein as well as a D76N mutant in crystals, and determined some of the structural features of the fibrillar form. This allowed to identify the presence of pathological folding intermediates and to formulate hypotheses on the mechanism of fibrils formation. Finally, I studied the local and global dynamics of membrane proteins in lipid bilayers. In particular, I investigated the mechanism of action of the alkane trans- porter AlkL from P. putida in lipid bilayers. The measurement of parameters for fast (ps-ns) and slow (μs-ms) backbone dynamics of the protein in presence or in absence of a substrate highlights possible routes for molecular uptake and lays the basis for a more detailed mechanistic understanding of the process.

Title: Theory and Applications of Optical Activity of Biomolecules Author: Monika Krupová Supervisor: prof. RNDr. Petr Bouř, DSc. Institutions: Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, and Institute of Organic Chemistry and Biochemistry, Academy of Sciences of the Czech Republic Abstract: This thesis describes how we used several chiroptical spectroscopic methods to study chiral molecules: vibrational circular dichroism (VCD), circularly polarized luminescence (CPL) and magnetic circular dichroism (MCD). VCD and induced lanthanide CPL were used to study the structure of amyloid protein fibrils. We found out that VCD is very sensitive to their structure and supramolecular chirality. It could be used to distinguish between various polymorphic fibrils. On the other hand, induced lanthanide CPL provided information on the local structure. VCD was also used to study the hydration polymorphism of nucleoside crystals. Due to the crystal packing, the VCD signal was strong and specific for different types of crystals. Finally, electronic structure of hydrated Ln3+ ions was studied by MCD. Molecular dynamics simulations together with crystal field theory (CFT) and multistate complete active space calculations with second order perturbation correction (MS-CASPT2) were used to interpret the spectra. CFT...