L'activité de cette équipe est essentiellement tournée vers l'étude des processus membranaires à l’aide d’approches théoriques. Pour ce faire, nous développons et utilisons des approches basées sur les simulations de dynamiques moléculaires (DM) pour étudier les interactions entre assemblages de détergents (micelles, micelles inverses et membranes) et peptides/protéines membranaires.
Responsable
Massimo MARCHI
01 69 08 29 65
massimo.marchi[at]cea.fr
Les principaux axes de recherche développés dans le groupe sont :
- Le développement de potentiels moléculaires (ou champs de forces) pour les détergents pour étudier les interactions entre détergents et peptides/protéines membranaires en solution.
- La modélisation du transfert d’électrons dans les complexes protéiques photosynthétiques.
- L’analyse des propriétés structurales dynamiques de l’hydratation au voisinage des protéines et des assemblages de détergents (i.e. micelles et micelles inversées).
Développement de modèles moléculaires de détergents utilisés pour l’étude en solution des peptides et protéines membranaires.
Pour étudier les propriétés structurales de peptides/protéines membranaires en solution, il est nécessaire d’utiliser des molécules amphiphiles (i.e. détergents). Dans ce contexte, nous nous intéressons à développer des approches innovantes pour construire des potentiels moléculaires (ou champs de force) pour les molécules de détergents. Par exemple, en utilisant une approche dites en « briques modulaires » qui consiste à « découper » la molécule d’intérêt en fragments moléculaires avec des conformations bien définies. En utilisant cette approche, nous avons, récemment développés des modèles moléculaires pour les détergents de types glycolipides ou les n-alkyls phosphocholines3 compatibles avec le champs de force AMBER pour les protéines. Ces potentiels ont été validés en caractérisant à l’aide de simulations extensives la structure des micelles pures de dodecyl-maltoside (DDM)2 et de dodecyl phosphocholine (DPC)3 ou en présence de peptides membranaires issus d’une protéine membranaire de type ABC impliquée dans la détoxication cellulaire (MRP1/ABCC1).
Fig. 1 : (Gauche) Exemple d’approche en « brique modulaire » pour dériver des charges partielles atomiques pour les alkyles glycosides. (Droite) Structure des micelles de dodecyl maltoside en fonc-tion de la conformation du glycolipide ©CEA/S.Abel.
Fig. 2 : (Gauche) Topologie de la protéine membranaire hMRP1 et de ses différents fragments transmembranaires impliqués dans la fonction de la protéine. (Droite), exemple de fixation du fragment TM10 à la surface des micelles de DPC et de DDM. ©CEA/S.Abel.
Nous approfondissons, actuellement, ces recherches en nous focalisant sur développement d’une bibliothèque de détergents avec des complexités structurales croissantes afin de pouvoir, par exemple, examiner l’influence de l’environnement micellaire sur la structure de peptides/protéines modèles. Nous participons aussi à différents projets nationaux et internationaux visant à étudier par simulations moléculaires, les propriétés structurales des assemblages des glycolipides bolaformes ou de la solubilisation de composés polycycliques aromatiques.
Transfert d’électrons au cours de la photosynthèse bactérienne
Une partie importante de notre activité de recherche actuelle concerne aussi l’élucidation par des moyens théoriques du mécanisme moléculaire du transfert d’électrons dans les centres réactionnels (CR) protéiques. Dans les CR bactériens, la première étape de la photosynthèse est un transfert d’électrons hautement directionnel, qui ne transporte l’électron que par l’une de deux branches symétriques apparentées après la photo-excitation. Cette directivité résiste aussi aux mutations. Pour appréhender le transfert d’électrons (TE) dans des milieux diélectriques complexes tels que les protéines, nous avons, précédemment, utilisé une approche facile mais non simpliste consistant à utiliser des modèles réduits des transitions électroniques en combinaison à des simulations de dynamique moléculaire. Après avoir déterminé par DM les paramètres importants du modèle, les calculs de mécanique quantique peuvent être réalisés de manière simple pour calculer les énergies d’activation et les vitesses de réaction. Cette technique a déjà été appliquée par nous-mêmes et d’autres groupes pour comprendre le transfert d’électron et l’excitation électronique chez les protéines. Cette approche a été utilisée, précédemment, pour étudier le transfert primaire d’électrons dans la bactérie Rhodobacter sphaeroides.
Fig. 3 : Représentation graphique du modèle du centre réactionnel de Rhodobacter sphaeroides. Le détergent amphiphile est représenté par des sphères, tandis qu’une représentation en fil de fer est utilisée pour l’eau et en ruban pour l’agrégat protéique. Le plan des schémas est normal à l’axe de quasi symétrie C2 de la protéine CR. ©CEA/M. Marchi
Pour ce faire des champs de forces pour les cofacteurs photosynthétiques (chlorophylles, phéophytines et quinones) ont été développés et des modélisations extensives ont été réalisées afin de calculer les surfaces d’énergie libre liées au transfert d’électrons. Dans ces études, les paramètres cinétiques pour le transfert d’électrons le long de la branche active (L) et inactive (M) ont été déterminés. Sans aucun ajustement des paramètres après le traitement des données, notre modélisation calcule, pour deux distributions de charges différentes, les forces entraînant le transfert d’un électron en excès vers les cofacteurs de la branche L en accord avec les valeurs obtenues expérimentalement. Une cinétique multi-exponentielle de la séparation des charges primaires est aussi prédite en bonne corresponde avec la cinétique observée expérimentalement. La cinétique du transfert d’électrons entre la ferrédoxine et photosystème I. Un élargissement de ces travaux à des complexes protéiques membranaires de grandes tailles tels que le photosystème II de la cyanobactérie Thermosynechococcus elongatus ou le complexe collecteur de lumière de type II (LH2) des bactéries pourpres Rhodopseudomonas acidophila strain 10050 sont en cours.
Représentation d’une configuration instantanée en vue du dessus (gauche) et de profil (droite) du complexe collecteur de lumière de type II de la bactérie pourpre Rhodopseudomonas acidophila souche 10050 dans un environnement micellaire constitué de LDAO (a-b) ou de glycolipides (c-d). Les différents peptides (en bleu et rouge) et pigments (bactériochlorophylles, vert) et glycolipides (jaune). Les molécules d’eau ne sont pas montrées pour plus de clarté. ©CEA/S.Abel.
Dynamique de l’eau, solvatation autour des protéines et assemblages de détergents
Nous nous intéressons aussi à caractériser les propriétés de l’eau biologique à l’interface des protéines qui joue un rôle crucial pour leurs structures d’équilibre, leurs fonctions enzymatiques, et pour des phénomènes tels que la reconnaissance moléculaire et les interactions protéine-protéine. Nous avons antérieurement caractérisé la dynamique de l’eau biologique autour des protéines globulaires par une modélisation informatique extensive. Nos simulations ont démontré, par exemple, que les champs de forces modernes et la modélisation moléculaire actuelle sont capables de reproduire les échelles de temps de la dynamique de l’eau biologique telle que détectée par la distribution de la relaxation magnétique nucléaire et autres techniques spectroscopiques. Nous avons pu ainsi élucider le mécanisme d’attachement de l’eau à la protéine et la relation entre les diffusions rotationnelles et translationnelles de l’eau. D’autres études ont aussi été réalisées ou sont en cours sur des agrégats amphiphiles tels que des micelles, micelles inverses ou des membranes afin de mieux comprendre le rôle de l’environnement ou du confinement sur les propriétés de l’eau interfaciale.
Notre groupe a aussi développé des modèles réduits (implicites) pour accélérer l’échantillonnage de l’espace conformationnel d’un biopolymère et calculer directement les propriétés thermodyna-miques telles que les énergies libres. Nous avons en particulier introduit une nouvelle méthode pour simuler des macromolécules hydratées avec une représentation par un continuum diélectrique du solvant avoisinant. Cette approche permet la solution du problème du continuum diélectrique « à la volée », tandis que les coordonnées moléculaires sont propagées. En esprit, c’est une technique similaire à celle utilisée par Parrinello et collaborateurs pour les calculs ab-initio en théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). En fait dans notre approche l’interaction entre le solvant et les degrés de liberté moléculaires est décrite au moyen d’une fonctionnelle pour l’énergie libre en polarisation, qui est minimale à l’équilibre électrostatique. Récemment, des modèles améliorés de diélectriques pour les protéines et les peptides ont été développés pour reproduire les énergies de solvatation expérimentales.