Développement d’un Simulateur fondé sur la Dynamique Brownienne de molécules individuelles et dédié à l’Imagerie de Fluorescence sur Cellules Vivantes

Development of a Brownian Dynamics Simulation Software dedicated to Live Cell Fluorescence Imaging

• Auteur / Autrice : Matthieu Lagardère
• Direction : Olivier Thoumine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 27/11/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Interdisciplinaire de Neurosciences (Bordeaux)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Thoumine, François Nédélec, Marianne Renner, Macha Nikolski, Jean-Baptiste Sibarita, Arnauld Sergé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Nédélec, Marianne Renner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence

Mouvement brownien

Monte-Carlo, Méthode de

Mots clés libres

Méthodes de Monte Carlo

Dynamique Brownienne

Diffusion-Piégeage

Imagerie de Fluorescence

Jonction Cellule-Cellule

Monte Carlo Methods

Brownian Dynamics

Diffusion-Trapping

Fluorescence Imaging

Cell-Cell junction

Résumé

La fluorescence a révolutionné l’imagerie cellulaire : en améliorant grandement le contraste, elle a permis d’imager des structures et de suivre des dynamiques moléculaires, jusqu’alors inaccessibles. Il existe aujourd’hui un grand nombre de techniques de microscopie optique exploitant les propriétés de molécules fluorescentes. Ces techniques permettent d’observer des structures toujours plus fines, de suivre la dynamique d’un ensemble de molécules (FRAP, PAF) ou de molécules individuelles (SPT, FCS) mais aussi d’étudier en temps réel leurs interactions moléculaires (FCCS, FRET). Toutefois, ces paradigmes expérimentaux sont complexes et de nombreux biais peuvent entacher d’erreurs les résultats obtenus.Dans le but d’interpréter avec précision les expériences d’imagerie de fluorescence sur cellules vivantes, nous avons développé un logiciel de simulation qui prend en compte les paramètres caractéristiques de ces expériences. Ce logiciel possède une interface graphique permettant d’ajuster en temps réel les paramètres de la simulation, et utilise des méthodes de Monte Carlo pour simuler la dynamique Brownienne de molécules individuelles ainsi que la photophysique des fluorophores associés. Ces molécules qui évoluent dans une géométrie définie par l’utilisateur peuvent transiter réversiblement entre un état diffusif rapide et un état diffusif lent, appelé état piégé, dans des compartiments subcellulaires spécifiques. Les fluorophores peuvent exister dans trois états : fluorescent, éteint et photo-blanchi. Des taux de transitions entre ces états sont utilisés pour simuler les expériences de fluorescence.Nous montrons dans un premier temps que les simulations générées par notre algorithme sont en accord avec des modèles théoriques classiquement utilisés pour analyser les expériences d’imagerie de fluorescence. Dans un second temps, nous utilisons le logiciel pour étudier un contact adhésif entre deux cellules COS médié par deux protéines d’adhésion formant un complexe hétérologue : la neurexine et la neuroligine. Des expériences d’imagerie de fluorescence (SPT, FRAP, FCS) ont été réalisées et sont interprétées en utilisant des simulations. Dans cette étude, nous mettons en évidence que les propriétés dynamiques de la neurexine sont modifiées au niveau du contact cellule-cellule, en bon accord avec le modèle

Fluorescence has revolutionized cellular imaging: by deeply increasing contrast, it permits to image cellular structures, and to follow molecular dynamics, which were not achievable by other optical imaging methods. Nowadays, a great number of optical microscopy techniques use the properties of fluorescent dyes and proteins. They have allowed scientists to observe finer and finer structures, to study the dynamics of an ensemble of molecules (FRAP, PAF) or of individual particles (SPT, FCS) but also to investigate the interactions between molecules in live conditions (FCCS, FRET). However, these experimental paradigms are complex and numerous biases can introduce inaccuracy in the obtained results.To the aim of precisely interpreting live cell fluorescence imaging experiments, we have developed a simulation software which takes into account the characteristic parameters of these experiments. This software, which provides a graphical interface to adjust in real time the simulation parameters, utilizes Monte Carlo Methods to simulate the Brownian motion of single molecules and the photophysics of associated fluorophores. These molecules diffuse in a user-defined geometry and can transit between fast and slow diffusion (trapping state), depending on the cellular compartment. Fluorophores can be fluorescent, blinked or photobleached. Transition rates between these states are used to simulate the fluorescence experiments.We show that the simulations generated by the algorithm are in accordance with the theoretical results typically used to analyze fluorescence experiment outputs. Then, we use the software to study an artificial cell-cell junction made up with two COS cells overlapping with each other. This junction, called adhesive contact, is mediated by two adhesion proteins called neurexin and neuroligin which establish a heterologous complex. Fluorescence imaging experiments (SPT, FRAP, FCS) have been performed, and are interpreted using simulations generated by our software. In this study, we show that the dynamic properties of neurexin are modified in the cell-cell contact area in accordance with the model.