Nouvelles approches expérimentales et théoriques de la diffusion quasi-élastique de neutrons pour l'étude des protéines

New experimental and theoretical approaches to quasi-elastic neutron scattering on proteins.

• Auteur / Autrice : Agathe Nidriche
• Direction : Judith Peters, Gerald Reinhard Kneller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les Sciences du Vivant
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Johannes Geiselmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Goran Nilsen, Jeremy Smith
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas Stadler, Arantxa Arbe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrons -- Diffusion

Protéines

Mots clés libres

Diffusion neutronique

Analyse de polarisation

Protéines

Echanges isotopiques

Effets quantiques

Dynamique auto-Similaire

Neutron scattering

Polarisation analysis

Proteins

Isotopic exchange

Quantum effects

Self-Similar dynamics

Résumé

La dynamique des protéines hydratées s’étend sur plusieurs décades, comprenant des gammes de temps allant de la femtoseconde à la picoseconde qui sont accessibles à la diffusion de neutrons.La diffusion de neutron est un outil formidable pour étudier la dynamique moyennée des noyaux d’hydrogènes dans un échantillon, afin de comprendre les phénomènes de diffusion et de relaxation prenant place à l’échelle atomique. Cependant, la diffusion de neutrons ne sonde pas uniquement la diffusion de noyaux isolés mais comprend aussi des effets collectifs, de par sa division en une partie incohérente (self) et une partie cohérente (self et collective) qui ne sont pas séparables par les techniques de spectroscopie de neutron conventionnelles, même s’il est souvent argumenté que la diffusion cohérente est négligeable dans ces systèmes riches en noyaux d’hydrogène.L’émergence de systèmes de polarisation de neutrons pour la diffusion à temps de vol (TOF), avec une résolution suffisante pour étudier la dynamique à l’échelle de la picoseconde, est une opportunité pour explorer l’apport de ces deux contributions, afin de mettre en lumière l’impact non négligeable de la dynamique collective provenant à la fois de la protéine et de son eau d’hydratation. Dans ce but, nous étudions la dynamique de poudres hydratées d’une protéine fluorescente verte protonée (pGFP) et de sa version deutérée (dGFP) par diffusion de neutrons polarisés. Nous utilisons pour cela une approche théorique adaptée à l’étude de systèmes complexes au comportement auto-similaire.En premier lieu, ce manuscrit présente l’information structurelle obtenue par diffraction de neutrons polarisés, afin d’évaluer l’impact des deux contributions et de nous permettre de comprendre l’étendue des échanges deutérium/hydrogène ayant lieu à l’interface entre la couche d’hydratation de la protéine et l’atmosphère. Nous poursuivons avec une étude de la dynamique des deux protéines à l’échelle de la picoseconde par spectroscopie de neutron polarisés à temps de vol. Cela nous permet de souligner l’impact de la diffusion cohérente dans le signal, qui provient de la relaxation collective du réseau de liaisons hydrogène formé par l’eau d’hydratation deutérée de la protéine. L’étude de la diffusion élastique et quasi-élastique de neutrons non polarisés nous permet de conclure en comparant diffusion polarisée et non polarisée. A la lumière de ces nouveaux résultats, de nombreuses questions émergent concernant les hypothèses habituellement formulées en diffusion incohérente de molécules biologiques, ainsi qu'une réflexion sur le formalisme quantique des fonctions de diffusions pour la dynamique des systèmes biologiques.

Proteins undergo dynamics that span several orders of magnitude in time, englobing the femtosecond to microsecond timescale, which can be investigated with neutron scattering techniques.Among spectroscopy techniques, neutron-scattering is a valuable tool to study the self-dynamics of hydrogens in proteins and understand conformational relaxation and diffusion at the atomic scale. However, neutron scattering is not just a probe for self-diffusion, but also encodes collective dynamics through its division into an incoherent (self) and coherent (self and collective) contribution, which are non-separable with conventional neutron scattering techniques, although it is stated that coherent scattering is negligible in those hydrogen-rich systems.The advent of neutron polarisation set-ups for the Time-Of-Flight (TOF) technique, with enough resolution to resolve ps-scale motions, it is an opportunity to investigate both contributions and shed light on the importance of considering collective motions arising from the protein and its hydration water. Therefore, we investigate the dynamics of a protonated Green Fluorescent Protein (pGFP) and its per-deuterated counterpart (dGFP) in powder state and hydrated in D2O with the help of polarised neutrons and new theoretical approaches adapted to the study of complex systems with self-similar dynamics.First and foremost, this PhD work focuses on the structural information held by polarised diffraction to assess the impact of both contributions, and permits us to understand the extent of D/H exchange between the atmosphere and the hydration shell of the protein. This is then pushed forwards with a dynamical study at the ps-scale with polarised quasi-elastic scattering, which highlights the strong impact of coherent scattering arising from hydration water D-bond network relaxation in both deuterated and protonated GFP. Consequently, a similar study performed with unpolarised elastic and quasi-elastic neutron scattering permits us to conclude the study by comparing polarised and conventional QENS. Many questions are then raised concerning usual assumptions, shattered by our investigations, that are made in the frame of incoherent neutron scattering applied to biomolecules. It includes reflexions on a quantum formalism of scattering functions for biomolecular systems.