Les protéines membranaires intégrales jouent un rôle essentiel dans le maintien de l’intégrité cellulaire (transports d’ions et de nutriments, transduction de signal, interaction cellule-cellule). Afin de les étudier, ces protéines doivent être produites in vitro. La production classique de ces protéines membranaires intégrales dans des microorganismes présente de nombreuses difficultés liées à leur structure complexe mais aussi à des problèmes de toxicité, empêchant la production de nombre d’entre elles. En outre, pour être produites efficacement, ces protéines ont besoin d’un environnement amphiphile. Dans cette thèse, afin de pallier à ces difficultés, nous avons d’une part utilisé un système d’expression protéique acellulaire, non affecté par la physiologie des cellules vivantes. En outre, nous avons choisi de les intégrer dans des bicouches lipidiques planes reconstituées artificiellement. Dans une première partie, nous avons mis au point l’intégration d’une protéine membranaire intégrale formant un pore, l’alpha hémolysine, dans une bicouche lipidique supportée. Certaines protéines nécessitant un espace plus important de part etd’autre de la membrane, nous avons, dans une seconde partie, développé une bicouche lipidique espacée et ancrée par fusion de liposomes sur des surfaces d’or. Nous démontrons qu’il est possible d’y incorporer des protéines membranaires de type Aquaporine Z sous certaines conditions. Dans une troisième partie, dédiée à la formation de membranes biomimétiques utilisant des molécules lipidiques provenant d’Escherichia coli, nous montrons que la modification de la composition membranaire ne semble pas avoir d’incidence sur l’incorporation de protéines. Enfin, dans une dernière partie, nous avons réalisé des premiers essais d’insertion de protéines membranaires, de type alpha hémolysine, dans des bicouches suspendues afin de montrer que ces protéines produites par le système d’expression acellulaire sont fonctionnelles. / Integral membrane proteins play an essential role in the cell integrity preservation (transport of nutrients and ions, signal transduction, cell-cell interaction). In order to study these proteins, they have to be produced in vitro. Classical production of integral membrane proteins in microorganisms present many difficulties associated with their complex structure and also toxicity problems, preventing production of many of them. Moreover, to be efficiently produced, these proteins require an amphiphilic environment. In order to overcome these difficulties, we used a cell-free protein expression system, unaffected by the physiology ofliving cells. In addition, we chose to integrate them into artificial planar lipid bilayers. In a first part, we have developed the integration of an integral membrane protein forming a pore, the alpha hemolysin, in a supported lipid bilayer. Some proteins require more space on each side of the membrane, therefore in a second part, we have developed a tethered lipid bilayer membrane by liposome fusion on gold surfaces. We demonstrate that it is possible to incorporate membrane protein Aquaporin Z under certain conditions. The third part is dedicated to the formation of biomimetic membranes using lipid molecules from Escherichiacoli, we show that the membrane composition do not affect the protein incorporation. Finally, we have tested alpha hemolysin membrane proteins insertion in suspended lipid bilayers membranes to show that these proteins produced by the cell-free expression system are functional.

Le complexe NADPH oxydase est un élément essentiel de l’immunité inné. Présent dans les cellules phagocytaires (neutrophile), sa fonction est de produire massivement, dans le phagosome, des anions superoxyde et générer ainsi des espèces encore plus réactives de l’oxygène qui vont détruire acides nucléiques, lipides et protéines des bactéries phagocytées. Le cœur membranaire catalytique du complexe NADPH oxydase est constitué d’un hétérodimère membranaire, le cytochrome b₅₅₈ (Cyt b₅₅₈). Après activation de celui-ci par les partenaires protéiques cytosoliques p47phox, p67phox, p40phox et Rac, une succession de réactions de transferts d’électron de part et d’autre de la membrane a lieu au sein du Cyt b₅₅₈ pour aboutir à la réduction du dioxygène de manière très contrôlée. Afin de mieux comprendre cette régulation, nous nous sommes d’abord intéressés aux stéreoisomères trans de l’acide arachidonique, activateur naturel de cet enzyme (cis), sur le fonctionnement de la NADPH oxydase et avons abordé cette étude parallèlement sur du Cytb₅₅₈ d’origine bovine présent dans des membranes de neutrophiles et dans des membranes de levures exprimant le Cytb₅₅₈ de manière hétérologue. Nous avons montré que la géométrie joue un rôle important sur l’activation du complexe enzymatique. Dans un deuxième temps, afin d’étudier le rôle de l’environnement membranaire sur le fonctionnement de la NADPH oxydase, nous avons déterminé les propriétés cinétiques et thermodynamiques de l’activité NADPH oxydase du Cytb₅₅₈ recombinant exprimé en levures, purifié, puis reconstitué en liposomes de composition lipidique variée. Après comparaison avec ces mêmes propriétés obtenues pour le Cytb₅₅₈ dans les membranes plasmiques et du réticulum endoplasmique de levures, nous avons montré que l’activité NADPH oxydase très sensible à la température peut être modulée par la composition et l’état physique de la membrane. / NADPH oxidase complex is a major actor of both antimicrobial host defense and inflammation by generating highly regulated superoxide anion, rapidly converted into reactive oxygen species (ROS). The NADPH oxidase complex consists of a heterodimeric integral membrane flavocytochrome b₅₅₈ and three cytosolic components p67phox, p47phox and p40phox, and the small GTP binding protein Rac. In response to a cellular stimulus, cytosolic proteins are recruited to the phagosomal membrane where they are assembled with the Cytb₅₅₈ to form the active NADPH oxidase. The aim of the work was to better understand the modulation of superoxide anion production by this enzyme. For this purpose, we performed experiments with both bovine neutrophil membranes and yeast membranes expressing the bovine recombinant Cytb₅₅₈. We first investigated the effect of the trans-isomerization of the cis-arachidonic acid, the activator of NADPH oxidase in vitro and showed that specific geometry of the activator plays an important role in the activation of the complex. We also studied the role of the membrane environment on the functioning of NADPH oxidase and determined the kinetics and thermodynamics of NADPH oxidase activity depending on the lipid composition of Cytb₅₅₈ proteoliposomes. Comparison with these properties obtained with recombinant Cytb₅₅₈ embedded into endoplasmic reticulum and plasma membranes, we showed that the NADPH oxidase activity is highly temperature dependent and can be modulated by the lipid environment and the physic state of the membrane.

À ce jour, nos connaissances sur les propriétés structurales et fonctionnelles des métalloprotéines sont essentiellement basées sur des structures résolues par des méthodes de diffraction à rayons X appliquées à des échantillons monocristallins. Cependant, certaines protéines ne cristallisent pas ou cristallisent sous une forme qui n’est pas manipulable ou compatible avec des techniques des diffraction, et même si une structure à très haute résolution est disponible, la nature de l’ion métallique, sa géométrie de coordination ou son état d’oxydation restent souvent indéterminés.La Résonance Magnétique Nucléaire en rotation à l’angle magique (MAS NMR) est une technique très performante pour l’étude de systèmes biologiques et pour la caractérisation de la structure du site actif des métalloprotéines paramagnétiques, mais son application à l’analyse des noyaux proches d’un site paramagnétique est limitée à cause de la résolution et de la sensibilité faibles.L’objectif de cette thèse a été de développer des méthodes RMN basées sur des hautes fréquences de rotation (60-111 kHz MAS) pour faire face à ces problématiques. Un répertoire de séquences d’impulsion pour la détection et l’attribution des noyaux à proximité d’un centre paramagnétique est proposé, et à l’aide de méthodes de calculs de pointes, les données expérimentales acquises sont converties en contraintes structurales afin de déterminer la géométrie du site actif à l’échelle atomique. Cette approche est validée avec l’analyse de sites actifs de deux protéines microcristallines contenants différents ions paramagnétiques : Fe, Cu et Co. Ensuite, des données préliminaires sur un transporteur membranaire d’ions métalliques divalents non cristalline sont présentées.Les méthodes analytiques présentées ici constituent un ensemble d’outils indispensable pour l’élucidation de la structure et la fonction des sites métalliques de systèmes macromoléculaires biologiques. / Most of our understanding of metalloproteins derives from atomic or molecular structures obtained from diffraction methods on single crystal samples. However, not all proteins are amenable for diffraction studies, and even when a highly-resolved structure is available, often the nature of the metal ion, its coordination geometry or its oxidation state are not determined. The aim of the present thesis is the investigation of structural properties of metal sites in paramagnetic metalloproteins by Magic-Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance (MAS NMR). MAS NMR is a powerful technique for the investigation of biological systems, and may represent a direct probe of the structure at the active site of paramagnetic metalloproteins. However, it suffers from limited sensitivity and resolution when applied to nuclei close to a paramagnetic center.In this thesis, we address these limitations by developing NMR methods based on ultra-fast (60-111 kHz) MAS rates. A “toolkit” of suitably designed pulse sequences is built for the detection and the assignment of nuclei in close proximity of a paramagnetic center. State-of-the-art computational techniques are also employed to convert the experimental data into structural restraints for obtaining atomic-resolution geometries of active sites. We benchmark this approach with the study of Fe, Cu and Co sites in two microcrystalline proteins, and we also provide preliminary data on a non-diffracting divalent metal ion transporter in lipid membranes. We anticipate that the techniques described here are an essential tool to elucidate many currently unanswered questions about structure and function of metal sites in structural biology.

Les canaux mécanosensibles de large conductance (MscL) sont des protéines membranaires intégrales permettant à la bactérie de survivre lors de chocs hypo-osmotiques. Leur principale caractéristique est de s'ouvrir en réponse à un stress mécanique : une tension de la membrane. <br />La compréhension de leur mode d'activation est un prérequis pour élaborer un modèle global du mécanisme de sensibilité à la tension membranaire. <br />Nous avons étudié ici les premières étapes du mécanisme d'ouverture du MscL induites par une diminution de l' épaisseur membranaire, ainsi que les interactions gouvernant ces changements conformationnels par des simulations de dynamique moléculaire. La comparaison de l'analyse en composante principale des tra jectoires et des directions données par l'analyse en modes normaux nous a permis de mettre en évidence l'influence de la membrane sur la dynamique intrinsèque du canal. Nous avons ensuite étudié des canaux MscL issus de différents organismes et présentant des sensibilité mécaniques différentes. Des différences significatives entre les comportements des deux systèmes plongés dans des membranes d' épaisseur variable ont été mises en évidence. <br />Ces différences nous ont conduit à explorer le rôle des différentes régions et notamment le rôle des boucles périplasmiques en construisant des canaux hybrides par combinaison de régions issues d'organismes différents. Les résultats obtenus confirment le rôle primordial des boucles periplasmiques dans la sensibilité du MscL.

La diffusion de neutrons à petits angles (SANS) est une méthode utilisée pour l'étude d'une large variété de particules en solution. Combinée à un marquage isotopique et à la variation de contraste, elle permet d'obtenir des informations structurales uniques sur des complexes biologiques impliquant plusieurs partenaires, la rendant particulièrement intéressante pour l'étude des mécanismes de translocation. Dans les trois grands domaines de la vie, jusqu'à 30% des protéines doivent être sécrétées hors de la cellule ou intégrées dans sa membrane. Ces mécanismes complexes impliquent deux grands chemins de translocation qui dépendent de multiples protéines cytoplasmiques et membranaires.L'Holotranslocon est un large complexe protéique membranaire composé de sept sous-unités : le translocon triméric SecYEG et les sous-unités accessoires SecD-SecF-YidC-YajC. Cet assemblage peut sécréter des protéines vers l'extérieur de la cellule et en intégrer dans la bicouche lipidique. Nous avons utilisé une sélection de méthodes biophysiques pour analyser différentes stratégies de préparation et la diffusion de neutrons pour analyser les caractéristiques structurales de ce complexe. Nous avons étudié l'efficacité des protocoles actuels pour la production d'un échantillon suffisamment concentré et homogène mais aussi la possibilité d'utiliser des Amphipols comme substitut aux détergents classiquement utilisés pour la purification de ce complexe. Nous avons également tenter de deutérer HTL pour étendre les possibilités offertes par le SANS dans ce contexte. Alors que les caractérisations biophysiques utilisées n'ont pas permis d'améliorer les méthodes de préparation actuelles, la diffusion de neutron nous a permis de confirmer la présence de lipides au centre de la structure. Nous avons assuré la fiabilité de cette stratégie pour étudier des complexes bien définis, formés par plusieurs composants. Nous proposons des méthodes alternatives, basées sur la fluorescence ou la génération de lipodisques, pour l'étude de ce système complexe.Nous avons également étudié la protéine tétramérique SecB, une chaperonne moléculaire qui est impliquée dans l'adressage des substrats de translocation aux translocons membranaires. Puisque SecB interagit avec des partenaires cytosoliques et ses propres substrats, nous avons utilisé la diffusion de neutrons ainsi que le marquage au deutérium pour analyser des complexes pertinents dans le processus de translocation et impliquant jusqu'à trois partenaires : SecB, un substrat déplié et l'ATPase SecA. Nous avons utilisé les valeurs de "contrast match point" mesurées pour obtenir des informations sur la stœchiométrie et l'affinité des différents assemblages. L'analyse des rayons de girations a permis de localiser les différents composants au sein de ces complexes. De plus, nous avons montré que SecB s'étend lorsqu'elle reconnait son substrat et nous proposons un modèle fonctionnel, basé sur nos données, pour l'adressage des protéines textit{via} le chemin post-traductionnel.Dans l'optique de diversifier les applications du SANS pour les systèmes biologiques, nous avons étendus les protocoles utilisés pour la production de protéines partiellement deutérées textit{in vivo} aux lipides et acides nucléiques bactériens. Les niveaux de deutération ont été analysés grâce à la diffusion de neutrons, spectrométrie de masse ou résonance magnétique nucléaire. Sur la base de ces données, nous avons extrapolé les niveaux de deutération et "contrast match point" pour chaque type de biomolécule afin de pouvoir prédire les conditions de cultures optimales requises pour atteindre un marquage spécifique. Nous avons, de plus, développé une nouvelle stratégie permettant de marquer sélectivement les protéines tout en conservant un marquage minimal des autres types de molécules. / Small Angle Neutron Scattering (SANS) is a method that is used for the study of a wide range of particles in solution. Combined with isotope labelling and contrast variation approaches, it allows the extraction of unique structural information on biological complexes involving multiple partner molecules, making it a method of interest for the study of protein translocation mechanisms. In all three kingdoms of life, up to 30% of all proteins need to be secreted out of the cell or integrated into its membrane. These complex mechanisms involve two pathways of translocation that rely on multiple cytoplasmic and membrane proteins.The Holotranslocon (HTL) is a large membrane protein complex composed of seven subunits: the core trimeric translocon SecYEG and the accessory subunits SecD-SecF-YidC-YajC. This assembly can secrete proteins out of the cell or integrate them into the lipid bilayer. In this project, a range of biophysical methods and sample preparation strategies have been used to analyse the structural features of this complex by SANS. The efficiency of the current protocols to produce a concentrated and homogeneous sample have been investigated, as well as the use of an amhpipol molecules as a substitute to classical detergents for the purification of this complex. The deuteration of HTL was attempted to expand the capabilities of SANS in this context. While the biophysical characterization methods we used did not allow us to further improve the current preparation protocols, a key result was the fact that SANS confirmed the presence of lipids at the centre of the structure and the reliability of this analysis method for the study well-defined multi-component complexes was tested. Alternative methods for the analyses of this complicated system are proposed, including fluorescence-based assays or lipodisc formation.The tetrameric protein SecB was also studied; SecB is a molecular chaperone that is involved in the delivery of translocation substrates to the translocon. Since SecB interacts with cytosolic partners and its own substrate, SANS and deuterium labelling was used to analyse translocation-relevant complexes involving up to three partners: SecB, an unfolded substrate and the SecA ATPase. The measured contrast match point was used to obtain information on the stoichiometry and affinity of the various assemblies, and the radii of gyration was used to localize the different components within the complexes. It has also been shown that SecB expands upon substrate binding; a new working model for the post-translational targeting pathway has been proposed, based on these data.As a corollary to the work described above, protocols for textit{in vivo} protein deuterium labelling to the deuteration of textit{E. coli} lipids and nucleic acids have been developed and it is hoped that these may be of general value in widening the scope of SANS applications for the study of biological systems. the These approaches were characterized and evaluated by SANS, nuclear magnetic resonance and mass spectrometry. Based on these data, the relevant deuteration levels and contrast match points were extracted for each class of biomolecule so that the optimal culture conditions can be used to achieve a specific level of deuteration. In addition, a new strategy has been developed that allows the selective labeling of proteins while keeping the labelling of other classes of molecules to a minimum within a single culture.

Cette thèse porte sur les membranes biologiques, étudiées du point de vue de la physique théorique. Nous nous intéressons aux effets génériques de la présence d'une ou deux inclusions membranaires, par exemple des protéines, et à ceux d'une modification chimique locale de l'environnement de la membrane.<br /> Tout d'abord, nous étudions une interaction entre deux inclusions membranaires, qui est analogue à la force de Casimir : elle provient des contraintes que les inclusions imposent aux fluctuations thermiques de la forme de la membrane. Nous calculons les fluctuations de cette force entre deux inclusions ponctuelles. Nous clarifions la définition de la force exercée par un fluide corrélé sur une inclusion, dans un micro-état du fluide. Cette définition joue un rôle clé dans l'étude de la force de Casimir au-delà de sa valeur moyenne à l'équilibre. Nous étudions également les interactions de Casimir entre des inclusions membranaires de forme allongée.<br /> Ensuite, nous nous intéressons à l'élasticité membranaire à l'échelle nanométrique, qui est mise en jeu dans les déformations locales de l'épaisseur de la membrane à proximité de certaines protéines. Nous soulignons l'importance d'un terme énergétique qui a été négligé jusqu'à présent.<br /> Enfin, nous présentons une description théorique, développée à partir de principes fondamentaux, de la dynamique d'une membrane soumise à une perturbation chimique locale de son environnement. Nous comparons nos prévisions théoriques à de nouveaux résultats expérimentaux portant sur la déformation dynamique d'une membrane biomimétique soumise à une augmentation locale de pH.

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