Adsorption des protéines sur les nanoparticules : des bases physicochimiques aux impacts fonctionnels

par Laurent Marichal

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Serge Pin et de Jean Labarre.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes , en partenariat avec NIMBE - Nanosciences et Innovation pour les Matériaux la Biomédecine et l'Énergie (laboratoire) , Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramolécualire (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-12-2015 .


  • Résumé

    L'utilisation croissante des nanoparticules (NP) soulève des inquiétudes quant à leur éventuelle toxicité. Alors que l'approche classique consiste à étudier ces questions toxicologiques in vivo ou au niveau cellulaire, nous proposons une démarche orientée avant tout vers une compréhension mécanistique des interactions protéines-NP. Basé sur une approche biochimique, le projet actuel peut être divisé en 3 axes de recherche : (1) Etude et modification de la région riche en motifs RGGX de la protéine Npl3. Détermination d'une séquence peptidique optimale permettant la création potentielle d'un "tag" protéique non covalent. (2) Étude du facteur taille des nanoparticules de silice (SiNP) sur l'interaction avec des protéines elles-même de taille différentes (myoglobine, hémoglobine, hémoglobines extracellulaires). Synthèse et caractérisation de NPs de silice de tailles précises (de 10 à 100 nm de diamètre) par la méthode de Yokoi. (3) Etude de l'interaction protéines/NP à l'échelle du protéome : détermination des paramètres physico-chimiques déterminants dans l'adsorption des protéines sur les NPs grâce à la spectrométrie de masse Shotgun. Recours à la bioinformatique. Dans un second temps, sur la base de ces connaissances biochimiques, des perspectives en termes toxicologiques sont attendues, telles que la prédiction et l'identification de cibles cellulaires et enzymatiques privilégiées. En ce sens, notre projet tente de poser les bases moléculaires aux effets toxicologiques observés chez les cellules exposées aux NPs. Il est basé sur une méthodologie récemment mise au point et validée par plusieurs des équipes concernées dans cette proposition. Des perfectionnements et développements techniques (protéogénomique shotgun, analyses statistique et structurale) sont poursuivis pour perfectionner la méthodologie en question et l'adapter aux nouvelles questions posées.

  • Titre traduit

    Protein adsorption upon nanoparticles: from the physicochemical basis to the functional impacts


  • Résumé

    The production and utilization of nanoparticles has been strongly increasing over the last decades, raising concerns regarding their biological effects and health hazards. Due to their nanometric size, nanoparticles have two major properties, (i) a high specific surface and (ii) the ability to cross biological barriers. Thus, they can interact with a large amount of biological compounds (especially proteins) and impact biological processes. We study adsorption of proteins on silica nanoparticles (SiNP). We used yeast protein extracts in order to assess which kinds of proteins tend to adsorb on SiNP and which do not. Using proteomics (mass Spectrometry Shotgun analysis), we identified several hundreds of adsorbed and non-adsorbed proteins. The statistical comparative analysis of these two sets of proteins revealed the physicochemical determinants relevant for adsorption: the overrepresentation of arginine residues and of large disordered regions, as well as an impoverishment in secondary structures and hydrophobic aminoacids. These results are consistent with the notion that disorder and flexibility favor protein adsorption. Using GO term analysis, we also evidenced that RNA binding proteins have a marked affinity for SiNP. We selected one of them, NPL3, a protein carrying poly(A) mRNA from nucleus to cytoplasm. We constructed two truncated mutants fused to GFP and found that the C-ter region of NPL3 containing several repetitions of the Arg-Gly-Gly (RGG) motif is responsible for the high affinity of the protein for SiNP. In vivo, the Arg residue of RGG motif is frequently dimethylated. We synthesized peptides (25-mer) containing RGG repetitions and some versions where Arg residues were dimethylated. The data indicate that Arg dimethylation significantly increases the affinity of the peptides for SiNP. We are currently planning to use calorimetry with these peptides in order to assess if the adsorption process, in these cases, is entropy or enthalpy driven. Our data opens the way for predicting potential biological impacts of nanoparticles.