Étude de propriétés photophysiques de protéines fluorescentes par dynamique moléculaire

par Jérémy Verdiere

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Isabelle Demachy.

Soutenue le 19-12-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire de chimie physique (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Université de Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Gérald Monard.

Le jury était composé de Isabelle Demachy, Gérald Monard, Isabelle Navizet, Florent Barbault, Hélène Pasquier.

Les rapporteurs étaient Isabelle Navizet, Florent Barbault.


  • Résumé

    Les protéines fluorescentes sont très largement utilisées dans les études de biologie moléculaire depuis maintenant une vingtaine d’année. Pour autant, l’origine de leurs propriétés photophysiques n’est pas totalement élucidée. Dans cette thèse, nous avons essayé d’améliorer la compréhension de la photophysique de deux protéines fluorescentes particulières : Padron et EosFP.Dans la protéine Padron, nous avons étudié l’isomérisation du chromophore et cherché à déterminer si la protonation et l’isomérisation sont simultanées ou successives. Pendant l’isomérisation, le donneur de proton potentiel est le résidu Tyr159. Nous avons d’abord montré que dans le vide, le transfert de proton est peu probable quelle que soit la géométrie du chromophore. Dans la protéine (où l’effet de l’environnement n’est pas négligeable) nous avons mis en évidence par dynamique moléculaire que, durant l’isomérisation, le transfert de proton n’est presque jamais favorable et reste donc un marginal.Par ailleurs, ces mêmes dynamiques ont montré que, à la fin de l’isomérisation, il apparaît de nombreux chemins de molécules d’eau reliant le chromophore au solvant et pouvant permettre un transfert de proton. On conclut doncque l’isomérisation et la protonation ne sont pas simultanées mais successives.Dans le cas de la protéine EosFP, nous avons analysé l’effet d’une molécule d’eau présente dans une partie des structures cristallines. Les dynamiques avec le chromophore à l’état fondamental ont montré que cette molécule ne joue pas de rôle, que ce soit sur le réseau de liaison hydrogène ou sur le spectre d’absorption. Par contre, à l’état excité, les dynamiques ont montré que l’extinction de fluorescence est beaucoup plus rapide sans la molécule d’eau qu’en sa présence.Par ailleurs, ces dynamiques ont mis en évidence que la protéine bloque souvent le chromophore dans des géométries où il ne peut pas retourner à l’état fondamental ni par fluorescence, ni par conversion interne. Ces géométries « noires» jouent un rôle important dans la photophysique.Pour tenir compte de ces géométries, nous avons calculé le rendement quantique et le temps de vie de fluorescence par intégration directe le long des trajectoires et par cinétique chimique. Dans les deux cas, nous avons obtenu un accord qualitatif avec l’expérience.

  • Titre traduit

    Study of photophysical properties of fluorescent proteins by molecular dynamics


  • Résumé

    Fluorescent proteins are widely used in biology studies since 20 years. Yet, the origin of their photophysical properties aren’t totally explained. Here, we try to improve the understanding of two particular fluorescent proteins: Padron and EosFP.In the protein Padron, we work on the isomerization of chromophore and try to determine whether isomerization and protonation are simultaneous or successive processes. During the isomerization, the potential donor is Tyr159.First, we show that, in vacuum, the proton transfer is quite unlikely whatever the chromophore geometry.In the protein (where the environment effect isn’t negligible) we evidence with molecular dynamics that, during isomerization, proton transfer stays marginal.In addition, these dynamics shown the appearance, at the end of isomerization, of a lot of water molecules channel between the chromophore and the solvent allowing a proton transfer. We conclude that isomerization and protonation are successive processes.In the case of the protein EosFP, we first analyze the effect of a water molecule which is found only in some of the crystallographic structures.Molecular dynamics of the protein with the chromophore in the ground state show that the water molecule doesn’t play any role neither in the hydrogen bond network nor in the absorption spectra.On the contrary, in the excited state, dynamics without this water show a significant faster decay of fluorescence that those with the molecule.In addition, those dynamics have demonstrate that during long period, the protein retains the chromophore in geometries in which it is unable to convert to the ground state, neither by fluorescence nor by internal conversion. Those “dark” geometries play a crucial role in the photophysics.To take them into account, we calculate the quantum yield and the fluorescence lifetime by direct integration along trajectories and by a kinetic scheme. We obtain a good qualitative agreement with the two methods.


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