Thermophilic proteins : stability and function

par Marina Katava

Thèse de doctorat en Physiologie et biologie des organismes, populations, interactions. Modélisation moléculaire

Sous la direction de Fabio Sterpone.

Soutenue le 14-10-2016

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Médicament, toxicologie, chimie, imageries (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de biochimie théorique (Paris) (laboratoire) et de Université Paris Diderot - Paris 7 (Etablissement de préparation) .

Le président du jury était Philippe Derreumaux.

Le jury était composé de Fabio Sterpone, Philippe Derreumaux, Martin Weik, Marco Cecchini, Anne-Claude Camproux, Alessandro Paciaroni.

Les rapporteurs étaient Martin Weik, Marco Cecchini.

  • Titre traduit

    Les protéines thermophiles : stabilité et fonction


  • Résumé

    La température est un paramètre crucial dans le fonctionnement du monde vivant, notamment de la machinerie moléculaire (les protéines) dont la stabilité et l’activité en dépendent sensiblement. Celles-ci sont souvent considérées comme étant équivalentes : si une protéine fonctionne, c’est qu’elle est stable, et vice-versa. Cependant, les protéines des organismes thermophiles, qui prolifèrent dans de températures élevées, sont stables à température ambiante, mais y présentent une faible activité. Cette dernière est optimale à la température de croissance de l’organisme hôte. Lorsqu’on parle de stabilité et d’activité protéique, la rigidité mécanique est souvent utilisée comme paramètre pertinent, offrant une explication simple et attractive à la fois pour la stabilité thermodynamique à haute température et au manque d’activité à des températures plus modérés. La réalité s’avère souvent plus complexe, et les mécanismes moléculaires reliant rigidité/flexibilité avec la stabilité et l’activité sont encore mal compris. Dans ce travail, nous abordons le problème au travers de trois systèmes. Nous avons examiné l’activation thermique des modes fonctionnels du domaine G de la protéine EF ainsi que les homologues mésophiles et thermophiles de la déshydrogénase Lactate/Malate. Par ailleurs, nous avons mis en évidence l’existence d’un paramètre unique (la moyenne des fluctuations atomiques) permettant d’expliquer la dynamique de la protéine lysozyme près de son point de fusion, et ce quelle que soit la nature de l’environnement autour de la protéine (qui décale le point de fusion). Nos conclusions se basent principalement sur une approche in silico où la dynamique moléculaire et des techniques d’échantillonnage améliorées sont utilisées et sont complémentées par des expériences de diffraction de neutrons


  • Résumé

    Temperature is one of the major factors governing life as demonstrated by the fine tuning of stability and activity of the molecular machinery, proteins in particular. The structural stability and activity of proteins have been often presented as equivalent. However, the thermophilic proteins are stable at ambient condition, but lack activity, the latter recovered only when the temperature increases to match that of the optimal growth condition for the hosting organism. In discussing the protein stability and activity, mechanical rigidity is often used as a relevant parameter, offering a simple and appealing explanation of both the extreme thermodynamic stability and the lack of activity at low temperature. The reality, however, illustrates the complexity of the rigidity/flexibility trade off in ensuring stability and activity through intricate thermodynamic and molecular mechanisms. Here we investigate the problem by studying three study cases. These are used to relate the thermal effects on mechanical properties and the stability and activity of the proteins. For instance, we have probed the thermal activation of functional modes in EF G-domain and Lactate/Malate dehydrogenase mesophilic and thermophilic homologues and verified a “universal” scaling of atomistic fluctuation of the Lysozyme approaching the melting in different environmental conditions. Our conclusions largely rest on an in silico approach, where molecular dynamics and enhanced sampling techniques are utilized, and are often complemented with neutron scattering experiments

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