Développement d'une approche analytique non ciblée pour l'étude des protéines dans les milieux complexes, environnementaux et biologiques

Development of an untargeted analytical approach for the identification and quantification of proteins in complex biological and environmental matrices

• Auteur / Autrice : Balkis Eddhif
• Direction : Nathalie Karpel vel Leitner, Claude Geffroy-Rodier, Pauline Poinot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance le 04/12/2017
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'environnement Gay Lussac (La Rochelle ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers (2012-....) - Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers / IC2MP
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Eric Marchioni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Karpel vel Leitner, Claude Geffroy-Rodier, Pauline Poinot, Pascal Carato, Jean-Christophe Garrigues
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Marchioni, Karen Gaudin, Emilie Destandau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Chromatographie en phase liquide

Protéomique

Marqueurs biologiques

Protéines

Mots clés libres

Protéines

Analyse « Bottom up »

Lc-Hrms/ms

Purification

Extraction

Étude mécanistique

Proteins

« Bottom-Up » analysis

Lc-Hrms/ms

Purification

Extraction

Mechanistic study

Résumé

Grâce aux récents progrès en terme d'instrumentation analytique, la protéomique, en tant que science qui étudie le protéome d'un organisme ou d'un milieu, a connu un véritable tournant et a permis d'étendre le champ des connaissances sur le fonctionnement du vivant dans son ensemble (structure, fonction, métabolisme, dynamisme). Néanmoins, l'étude des protéomes représente un challenge pour de nombreux biologistes, chimistes et biochimistes, en raison notamment de la complexité des échantillons étudiés. De nombreux protocoles analytiques ont d'ores et déjà été développés. Cependant, dans leur ensemble, ces stratégies sont relativement longues et multi-étapes et le plus souvent ciblées sur une protéine donnée.Dans ce contexte, ce travail de thèse a pour objectif de simplifier les protocoles expérimentaux existants afin de limiter les pertes en protéines et ainsi amplifier leurs signaux au cours d'une analyse « Bottom-up » par LC-HRMS (analyse « hors gel »). Chaque étape du processus a été décortiquée et optimisée. Dans un premier temps, les paramètres UPLC-HRMS/MS ont été optimisés afin d'améliorer la détection et la quantification des protéines présentes à des concentrations très variables dans les milieux étudiés. Ensuite, une approche de purification simplifiée qui repose sur une seule et unique étape de lavage et solubilisation des protéines a été mise au point. La démonstration de son efficacité « chimique » et « biologique » a ensuite été réalisée via une étude mécanistique au cours de laquelle les changements de conformation des protéines ont été étudiés à chacune des étapes de purification proposées. Enfin, certains paramètres influençant l'extraction des protéines à partir de ces mêmes matrices ont été étudiés afin de proposer à terme un protocole d'extraction à la carte compatible avec une analyse directe par LC-HRMS/MS.

Recent advances in proteomics have been spurred by the rapid development of hybrid and/or high-resolution mass analysers (HRMS/MS). These powerful instrumentations have led to significant improvements in « Bottom-up » approach and have enabled to deepen our knowledge on the functionality of biological systems (structure, function, metabolism, dynamic, etc).Despite their high sensibilities, the potential of such instruments could be significantly lessened by an imperfect sample pre-treatment. In this context, current sample pretreatments follow multi-steps experimental workflows, which alternatively lead to low recoveries of proteins. In this line, this study aims at developing a simple and versatile strategy in order to reduce protein losses and enhance their detection in gel-free LC-MS analysis. First, an analytical method based on liquid chromatography and tandem mass spectrometry was developed to detect and quantify complex peptides mixture. Secondly, a universal, simple and fast purification approach was designed with the aim to purify protein extracts in only one-step. For this purpose, the molecular reactivity, dynamics and conformational changes of proteins at each development step were comprehensively investigated with a set of spectroscopic techniques, in order to select the best strategy. Finally, different factors influencing extraction of proteins were investigated with the goal in the long term to propose an on-demand extraction protocol for direct analysis of proteins by LC-HRMS/MS.