Neutron scattering and methodological developments for the study of the bacterial translocation machinery

par Benjamin Brocco

Thèse de doctorat en Physique pour les sciences du vivant

Sous la direction de Trevor Forsyth et de Michael Haertlein.

Soutenue le 04-07-2018

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Max von Laue-Paul Langevin (laboratoire) .

Le président du jury était Cécile Breyton.

Le jury était composé de Joseph Zaccai, Pierre-Emmanuel Milhiet, Selma Maric.

Les rapporteurs étaient Jean-Michel Jault, Patrice Gouet.

  • Titre traduit

    Diffraction de neutrons et développements méthodologiques pour l'étude de la machinerie de translocation bactérienne


  • Résumé

    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.


  • Résumé

    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.


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