Solvant désordonné et le problème de phases en cristallographie macromoléculaire

• Auteur / Autrice : Andrei Fokine
• Direction : Alexandre Ourjoumtsev
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences physiques
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Cristaux

Fourier, Séries de

Cristallographie

Résumé

La radiocristallographie étudie la répartition de densité électronique dans un cristal par la diffraction des rayons X. Les données de diffraction correspondent à la distribution de densité moyennée dans le temps d'expérience et par toutes les mailles du cristal. Le solvant occupe une grande partie, entre 30 et 80 %, du volume des cristaux macromoléculaires, principalement, dans une manière désordonnée. La moyennation nivelle tous les détails structuraux dans la région du solvant où la répartition moyenne de densité devient pratiquement uniforme. Dans ce mémoire, nous présenterons des nouvelles approches d'utilisation de l'information sur la densité dispersive du solvant pour résoudre le problème des phases dans la cristallographie macromoléculaire. Tout d'abord, nous considérons la situation quand un modèle atomique de macromolécule est disponible et déjà placé dans la maille. Nous étudions le modèle aplati du solvant désordonné et proposons une méthode pour obtenir des valeurs optimales des paramètres de ce modèle. Ensuite, nous considérons la méthode du remplacement moléculaire dans laquelle un modèle approximatif est disponible mais sa position dans la maille est inconnue. Les données de basse résolution, étant moins sensibles aux imperfections du modèle, sont extrêmement utiles pour la résolution du problème de translation. Cependant, les protocoles traditionnels du remplacement moléculaire n'emploient pas des réflexions de résolution plus basse que 10-15 Å parce que ces dernières sont fortement influencées par le solvant désordonné. Nous démontrons que le critère de recherche de translation peut être amélioré si toutes les données de basse résolution sont utilisées avec la correction par solvant désordonné. Nous avons développé une méthode qui permet d'effectuer cette correction dans la recherche de translation rapide. Puis, nous considérons la situation quand le modèle de macromolécule n'est pas encore construit et seulement une première estimation des phases est disponible. Dans ce cas, nous proposons une nouvelle approche d'amélioration des synthèses de Fourier qui utilise les propriétés du solvant désordonné. Les synthèses de Fourier de très basse résolution (40 - 15 Å) contiennent l'information très utile sur les formes de macromolécules et sur l'empilement cristallin. Actuellement, de telles synthèses peuvent être obtenues par le phasage direct d'un seul jeu de données de diffraction. Nous étudions la procédure du phasage directe basée sur les propriétés topologiques de synthèses de Fourier et démontrons que les résultats du phasage dépendent fortement de la densité dispersive du solvant.

Protein crystallography studies the distribution of the electron density in a crystal by diffraction of X-rays. The diffraction data correspond to the distribution of density averaged by the time of experiment and by all cells of the crystal. The solvent occupies a large part, between 30 and 80 %, of the unit cell and is mostly disordered. The averaging smoothes all structural details in the solvent region where the average distribution of density becomes practically uniform. In this thesis, we present new approaches to the use of the information on the solvent scattering density to solve the phase problem in protein crystallography. First, we consider the situation when an atomic model of a macromolecule is available and is already placed in the unit cell. We study the flat model of the disordered solvent and propose a method to obtain its optimal parameters. Then, we consider the molecular replacement method in which an approximate model is available but its position in the unit cell is unknown. The low-resolution data, being less sensitive to model imperfections, are extremely useful for the resolution of the translation problem. However, the traditional molecular replacement protocols do not use reflections of a resolution lower than 10-15 Å because they are strongly influenced by the bulk solvent. We show that the criterion of the translation search can be improved if all low-resolution data are taken into account with the bulk-solvent correction. We developed a method allowing the bulk-solvent correction in the fast translation search. Then, we consider the situation when a macromolecular model is not yet constructed and only a first estimate of phases is available. In this case, we propose a new approach of improvement of Fourier syntheses, which uses the properties of the bulk solvent. Fourier syntheses calculated at a very low resolution (40 - 15 Å) contain very useful information on the molecular shape and on the crystal packing. Currently, such syntheses can be obtained by direct phasing of a single set of diffraction data. We study the procedure of ab initio phasing based on topological properties of Fourier syntheses and show that results of the phasing depend drastically on the solvent scattering density.