L’autoassemblage de diverses biomolécules pour former des complexes moléculaires est à la base de la machinerie cellulaire et des processus biologiques qui s’y rattachent. Il est typiquement considéré qu’un assemblage de plusieurs protéines offre des avantages régulatifs comparativement à une structure protéique similaire construite avec une ou un nombre inférieur de composantes. Ces assemblages offrent, par exemple, la possibilité de contrôler l’activité d’un complexe grâce à la dépendance directe de l’assemblage sur la concentration de ces composantes. De plus, la coopérativité d’interaction entre ces diverses composantes ouvre la voie vers l’obtention de nouveaux mécanismes de régulation. Toutefois, les avantages et les inconvénients directement reliés au nombre de composantes impliquées dans un assemblage ne sont pas totalement bien compris puisque les protéines ont évolué et ont divergé suivant des millions d’années d’évolution. L’objectif principal de cette thèse est d’abord de créer un modèle moléculaire simplifié permettant de mieux comprendre les avantages coopératifs des autoassemblages biologiques pour ensuite s’en inspirer afin de mettre au point de nouveaux mécanismes moléculaires permettant d’optimiser la plage dynamique d’interrupteurs moléculaires autoassemblés. En même temps, il sera possible de mettre en lumière certains avantages évolutifs qui ont poussé les protéines à acquérir plus de composantes moléculaires.
Tout d’abord, la création d’assemblages moléculaires fut effectuée en fragmentant une structure unimoléculaire en plusieurs fragments qui pourront, grâce à leurs interactions, reformer la structure originale. Grâce à une nanostructure simple d’ADN, c.-à-d. une jonction à trois branches, il fut possible d’étudier directement l’impact du nombre de composantes sur la fonctionnalité et la régulation d’assemblages multimériques. Il fut observé, malgré l’association plus lente d’un assemblage de trois composantes, que ce même assemblage s’associe de manière plus coopérative tout en permettant la création de nouveaux mécanismes de régulation (p. ex. plage dynamique étendue, auto-inhibition et minuterie moléculaire). Ce système simplifié d’ADN a donc permis de conclure que la fragmentation d’une nanostructure en plusieurs composantes est une méthode simple permettant d’optimiser un nanosystème artificiel ou naturel.
Ensuite, une autre méthode de création d’assemblages moléculaires fut étudiée. Celle-ci consiste à fusionner des domaines interagissant par le biais d’un espaceur. Dans une telle stratégie, l’espaceur est appelé à jouer un rôle important dans les propriétés de l’assemblage. Ainsi, en utilisant le même modèle d’ADN à trois composantes, il fut en effet observé que les propriétés de l’espaceur (p. ex. sa longueur, sa composition ou sa nature chimique) affectent grandement les propriétés d’assemblage d’un système à trois composantes (p. ex. sa stabilité, son niveau de coopérativité ou sa plage dynamique d’assemblage). En effectuant une étude thermodynamique approfondie sur divers assemblages trimériques d’ADN, il fut découvert qu’un espaceur optimal stabilise l’association des diverses composantes en créant une structure plus compacte où les espaceurs se cachent au coeur de la jonction. Il fut aussi démontré qu’en optimisant l’espaceur, il est possible de programmer précisément la plage dynamique d’un assemblage moléculaire à trois composantes.
Finalement, ces découvertes sur les avantages d’un assemblage à trois composantes ont permis la création d’une nouvelle stratégie afin d’optimiser la plage dynamique d’interrupteurs moléculaires. À l’inverse des activateurs allostériques classiques qui altèrent la force d’interaction d’un ligand, c.-à-d. le KD, en modifiant la conformation de l’interrupteur, un activateur multivalent permet de programmer précisément la plage dynamique de l’interrupteur en exploitant une nouvelle surface d’interaction grâce à la formation d’un assemblage à trois composantes. Cette nouvelle stratégie d’optimisation des interrupteurs moléculaires fut validée grâce à une tige-boucle d’ADN servant comme balise moléculaire. Cette preuve de concept permet de démontrer la viabilité des assemblages moléculaires pour conceptualiser de nouvelles nanotechnologies avec une plage dynamique optimisée. Il est donc possible d’imaginer que les assemblages moléculaires auront un impact immédiat dans divers domaines de la nanotechnologie comme en diagnostic médical, en délivrance contrôlée de médicaments ou en imagerie moléculaire. / The self-assembly of various biomolecules to form molecular complexes is at the basis of the cellular machinery and their related biological processes. It is typically thought that an assembly of several proteins provides regulatory advantages compared to a similar protein built with one or fewer molecular components. These molecular assemblies offer, for example, the possibility to control their activity through the direct dependency of the assembly on the concentration of its components. Moreover, the cooperativity of interaction between their multiple components opens the door to acquiring novel regulation mechanisms. However, the advantages and disadvantages directly related to the number of components involved in an assembly are not totally understood since proteins have evolved and diverged over millions of years of evolution. The main objective of this thesis is to first create a simplified molecular model that will enable to better understand the cooperative advantages of biological self-assemblies. Then, inspired by these new understandings, novel molecular mechanisms will be developed to enable the optimization of the dynamic range of self-assembled molecular switches. Meanwhile, it will be possible to highlight some advantages that have pushed proteins to acquire more molecular components.
The creation of molecular assemblies was demonstrated by fragmenting a nanostructure into multiple fragments which, through their intermolecular interactions, reassemble into the original structure. Using a simple DNA-based nanostructure, i.e., a three-way junction, it was possible to directly study the impact of the number of components on the functionality and regulation of multimeric assemblies. It was found that despite the slower assembly rate of a three-component assembly, this same assembly undergoes a more cooperative assembly enabling the creation of new regulatory mechanisms (e.g., extended dynamic range, self-inhibition and molecular timers). This simplified DNA-based system has therefore made it possible to conclude that fragmenting a nanostructure into multiple components is a simple method to optimize an artificial or a natural nanosystem.
Next, another method to create molecular assemblies was studied. This method consists in fusing interacting domains through a linker. In this strategy, the linker will play an important role in dictating the properties of the assembly. Therefore, by using the same three-component DNA-based model, it has been observed that the chemical properties of the linker (e.g., its length, its composition, or its chemical nature) considerably affect the assembly properties of a three-component system (e.g., its stability, its level of cooperativity, or its dynamic range). Through an exhaustive thermodynamic study on various trimeric DNA-based assemblies, it was determined that the optimal linker stabilizes the association of all components by creating a more compact assembly where the linkers are buried within the core of the junction. It was also demonstrated that the optimization of the linkers allows to precisely program the dynamic range of the assembly.
Finally, these discoveries on the advantages of a three-component assembly have enabled the creation of a new design strategy to optimize the dynamic range of molecular switches. In contrast to the classic allosteric activator which alters the affinity of a ligand (i.e., the KD) by changing the conformation of the switch, a multivalent activator enables to precisely program the dynamic range of a switch by exploiting a new interacting interface through the formation of a three-component assembly. This new strategy to optimize molecular switches was validated using a DNA-based molecular beacon. This proof of concept demonstrates the viability of molecular assemblies to design novel nanotechnologies with optimized dynamic range. It is possible to imagine that these molecular assemblies could have a direct impact on multiple fields of nanotechnology including medical diagnostics, controlled drug delivery and molecular imaging.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:umontreal.ca/oai:papyrus.bib.umontreal.ca:1866/28126 |
| Date | 04 1900 |
| Creators | Lauzon, Dominic |
| Contributors | Vallée-Bélisle, Alexis |
| Source Sets | Université de Montréal |
| Language | fra |
| Detected Language | French |
| Type | thesis, thèse |
| Format | application/pdf |
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