L'accroissement des connaissances, structurales et fonctionnelles, des protéines nous donne désormais une vision plus précise des phénomènes d'interaction. L'utilisation de ces informations pour le développement de ligands permettrait d'obtenir de nouveaux composés, capables d'interagir avec diverses cibles d'intérêt, et d'améliorer notre compréhension de ces interactions. Ce travail présente le développement d'une nouvelle méthode de conception de ligands protéiques, laquelle repose sur le transfert d'un groupe de résidus, appartenant à un ligand connu et contribuant de façon importante à la liaison avec une cible d'intérêt, sur une protéine hôte, de moins de 100 résidus (mini-protéines). L'identification de protéines hôtes, aptes à reproduire l'interaction après transfert du motif, est réalisée de manière systématique à partir des structures présentes dans la PDB. L'approche a été appliquée pour le développement de ligands du canal Kv1.2, à partir de connaissances structurales et fonctionnelles de l'interaction de ce même canal avec la toxine BgK. Trois ligands, possédant des constantes d'inhibition micro molaires, ont été ainsi conçus. Ces résultats démontrent la possibilité de mettre en application une méthode de conception de ligands, basée sur le transfert de motifs de « hotspots », sur une plateforme structurale de nature protéique, dont les aspects stérique et électrostatique sont compatibles avec une interaction donnée.

Les travaux réalisés portent sur la conception de ligands protéiques capables de cibler le site catalytique des métalloprotéases matricielles (MMPs) grâce à une méthode d'ingénierie développée au laboratoire qui repose sur le greffage de motifs fonctionnels. Le motif fonctionnel choisi correspond aux 4 résidus N-terminaux du TIMP-2, un inhibiteur naturel des MMPs. Des plates-formes protéiques possédant des motifs d'acides aminés dans une topologie similaire à celle du motif de référence dans le complexe TIMP-2/MMP-14 ont été identifiées par criblage systématique de la PDB à l'aide du logiciel STAMPS (Search for Three-dimensional Atom Motif in Protein Structure). Dix candidats ligands satisfaisant les contraintes topologiques, stériques et de similarité électrostatique avec le ligand naturel TIMP-2 ont été sélectionnés. Ces ligands ont été produits par synthèse chimique ou par voie recombinante puis leur capacité à inhiber une série de 6 MMPs a été évaluée. Les résultats indiquent que tous les ligands protéiques conçus in silico sont capables de lier les sites catalytiques des MMPs avec des constantes d'association allant de 450 nM à 590 mM, sans optimisation supplémentaire. La caractérisation structurale par diffraction X de 2 variants d'un de ces ligands protéiques a permis de montrer que les interactions établies par le motif 1-4 dans ces ligands étaient similaires à celles observées dans le complexe TIMP-2/MMP-14, avec cependant des différences dans la géométrie de certaines d'entre elles. Des études de simulation par dynamique moléculaire ont également permis de mettre en évidence de possibles différences dans la géométrie et la stabilité de certaines des interactions reproduites dans les 10 plates-formes, pouvant contribuer aux affinités modestes observées pour ces ligands. Cependant, les résultats obtenus montrent que la méthode de conception in silico utilisée est capable de fournir une série de ligands protéiques de 1ère génération ciblant de manière spécifique un site catalytique d'intérêt avec un bon rendement. Cette méthode pourrait constituer la 1ère étape d'une approche hybride de conception in silico de ligands combinée à des techniques de sélection expérimentales.

L’ingénierie protéique servant autrefois à comprendre les relations structures-fonctions des protéines connait un tournant majeur depuis plusieurs années. L’ingénierie protéique évolue pour créer des nouvelles fonctions protéiques : c’est la naissance de l’ingénierie protéique moderne. L’objectif de ma thèse a consisté à mettre en place et caractériser deux approches indépendantes d’ingénierie protéique dans le domaine du vaccin et du diagnostic. Le premier projet consistait à générer des ligands protéiques à partir d‘échafaudages moléculaires (des alternatifs aux anticorps) en couplant le ribosome display au NGS et en développant des outils d’analyses bio-informatiques. Des sélections contre des cibles protéiques d’origine bactérienne et virale ont conduit à l’identification de ligands Affibodies affins (µM au nM). Leur caractérisation a validé leur potentiel comme outil de recherche et de réactif diagnostique. Ces études ont permis de valider la plateforme de génération des ligands mise en place, en augmentant l’exploration de l’espace de diversité des interactions des ligands. Le second projet portait sur le développement d’une plateforme de présentation et de vectorisation à partir de particules d’encapsuline. Elles ont été génétiquement modifiées pour présenter de manière répétée à leur surface l’ectodomaine de la protéine de matrice M2 (M2e) du virus Influenza A H1N1 tout en encapsulant une protéine hétérologue : l’eGFP. Les nanoparticules modifiées sont correctement formées et encapsulent l’eGFP. Des souris immunisées par ces particules induisent une réponse anticorps spécifique contre l’épitope M2e et l’eGFP. L’utilisation de ces nanoparticules comme plateforme vaccinale de présentation et de vectorisation est prometteuse et ouvre la voie pour d’autres applications en biotechnologie / In the past, protein engineering used to understand function and structure relationship. But since few years, protein engineering was used to create new protein functions: modern protein engineering was born. The aim of my thesis was to set up and characterize two approaches of protein engineering in diagnostic and vaccine field. The first project was to generate artificial binder using protein scaffolds as an alternative to antibodies by coupling ribosome display (RD) to NGS and developing bio-informatics tools. Screening and selection against bacterial and viral targets have led to affibody binder’s identification with an affinity range from µM to nM. Their characterization has validated their potential as research tools and protein reagents for diagnostic assay. Coupling ribosome display to high throughput sequencing as means to directly identify selected binder coding sequences, enormously enhance binder discovery depth. The second project was to generate an innovative nanocarrier based on encapsulin nanoparticle, for customized peptide display and cargo protein vectorization. Encapsulin particles from T.maritima were genetically modified for simultaneous display of the matrix protein 2 ectodomain of the influenza H1N1 A virus and heterologous protein eGFP packaging. Genetically engineered encapsulin nanoparticles were well-formed and abled to efficiently load eGFP. Immunogenicity studies revealed antibody responses against both the surface epitope and the loaded cargo protein. Taken together, this display system is a versatile tool for rational vaccine design and paves the way for new applications in the research fields of vaccine, antimicrobial research and other biotechnological applications

Les travaux réalisés portent sur la conception de ligands protéiques capables de cibler le site catalytique des métalloprotéases matricielles (MMPs) grâce à une méthode d’ingénierie développée au laboratoire qui repose sur le greffage de motifs fonctionnels. Le motif fonctionnel choisi correspond aux 4 résidus N-terminaux du TIMP-2, un inhibiteur naturel des MMPs. Des plates-formes protéiques possédant des motifs d’acides aminés dans une topologie similaire à celle du motif de référence dans le complexe TIMP-2/MMP-14 ont été identifiées par criblage systématique de la PDB à l’aide du logiciel STAMPS (Search for Three-dimensional Atom Motif in Protein Structure). Dix candidats ligands satisfaisant les contraintes topologiques, stériques et de similarité électrostatique avec le ligand naturel TIMP-2 ont été sélectionnés. Ces ligands ont été produits par synthèse chimique ou par voie recombinante puis leur capacité à inhiber une série de 6 MMPs a été évaluée. Les résultats indiquent que tous les ligands protéiques conçus in silico sont capables de lier les sites catalytiques des MMPs avec des constantes d’association allant de 450 nM à 590 mM, sans optimisation supplémentaire. La caractérisation structurale par diffraction X de 2 variants d’un de ces ligands protéiques a permis de montrer que les interactions établies par le motif 1-4 dans ces ligands étaient similaires à celles observées dans le complexe TIMP-2/MMP-14, avec cependant des différences dans la géométrie de certaines d’entre elles. Des études de simulation par dynamique moléculaire ont également permis de mettre en évidence de possibles différences dans la géométrie et la stabilité de certaines des interactions reproduites dans les 10 plates-formes, pouvant contribuer aux affinités modestes observées pour ces ligands. Cependant, les résultats obtenus montrent que la méthode de conception in silico utilisée est capable de fournir une série de ligands protéiques de 1ère génération ciblant de manière spécifique un site catalytique d’intérêt avec un bon rendement. Cette méthode pourrait constituer la 1ère étape d’une approche hybride de conception in silico de ligands combinée à des techniques de sélection expérimentales. / Artificial mini-proteins able to target catalytic sites of matrix metalloproteinases (MMPs) were designed using a functional motif grafting approach. The motif corresponded to the 4 N-terminal residues of TIMP-2, a broad-spectrum natural protein inhibitor of MMPs. Scaffolds able to reproduce the functional topology of this motif as described in the TIMP-2/MMP-14 complex were obtained by exhaustive screening of the Protein Data Bank (PDB) using the STAMPS software (Search for Three-dimensional Atom Motif in Protein Structure). Ten artificial protein binders satisfying all topologic, steric and electrostatic criteria applied for selection were produced for experimental evaluation. These binders targeted catalytic sites of MMPs with affinities ranging from 450 nM and 590 μM prior to optimization. The crystal structures of two artificial binders in complex with the catalytic domain of MMP-12 showed that the intermolecular interactions established by the functional motif in these artificial binders corresponded to those found in the TIMP-2/MMP-14 complex, albeit with some differences in their geometry. Molecular dynamics simulations of the 10 binders in complex with MMP-14 suggested that these scaffolds could allow reproducing in part the native intermolecular interactions, but some differences in geometry and stability could contribute to the lower affinity of the artificial protein binders as compared to the natural one. Nevertheless, these results show that the in silico design method used can provide sets of starting protein binders targeting a specific binding site with a good rate of success. This approach could constitute the first step of an efficient hybrid computational-experimental protein binder design approach.