Dynamique d’assemblage de peptides bêta-amyloïdes par nanopore unique

dynamic of beta-amyloide peptide assembly using single nanopore

• Auteur / Autrice : Nathan Meyer
• Direction : Sébastien Balme, Joan Torrent
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels
• Jury : Président / Présidente : Juan Pelta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Lecomte, Laurent Bacri, Mathilde Lepoitevin, Human Rezaei
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Lecomte, Laurent Bacri

Mots clés

Mots clés libres

Pulse de résistance

Biophysique

Nanopore

Amyloïde

Molecule unique

A-beta

Resistive pulse

Biophysique

Nanopore

Amyloid

Single molecule

A-beta

Résumé

L'analyse en temps réel et à bas coût des marqueurs biologiques présents en faible concentration dans un échantillon revêt une importance stratégique pour la mise en place d'outils de diagnostic précoce de maladie d'Alzheimer. Parmi ces biomarqueurs, les peptides bêta-amyloïdes sont les composants majoritaires des plaques amyloïdes, que l'on retrouve dans les patients atteints par la maladie. L'hypothèse de la 'cascade amyloïde' propose que l'accumulation de ce peptide amyloïde induit une toxicité pour les cellules nerveuses. Les amyloïdes sont des assemblages ordonnés de protéines ou peptides dont le mécanisme de formation n'est pas totalement élucidé. En effet, il n'existe aucune méthodologie permettant de caractériser en continu l'évolution structurale (par exemple une modification de taille et de morphologie) d'une protéine ou d'un peptide, au cours de ses transformations pathologiques. Pour lever ce verrou, la technologie « nanopore unique » serait une solution efficace face aux méthodes conventionnelles. Cette technologie permet de détecter et caractériser en temps réel des macromolécules traversant un pore de diamètre ajustable, avec des dimensions comparables à l'analyte d'intérêt, via un détecteur basé sur des mesures de résistance. La détection électrique par nanopores (c.-à-d. les perturbations du courant induit par le passage d'un objet) se fait en molécules uniques et permet d'obtenir une « empreinte digitale » de la macromolécule en fonction de sa taille, de sa charge, de son moment dipolaire et de son interaction avec le nanopore. De ce fait, chaque macromolécule a en « théorie » une signature unique. Les avantages de la technologie nanopore sont : l'absence totale de tout marquage et la possibilité de détecter des concentrations d'échantillons très faibles (pM). Notre approche expérimentale « nanopore unique » a déjà été validée au laboratoire pour élucider des intermédiaires amyloïdogéniques de la beta-lactoglobuline et de la protéine tau. Ce projet concerne le développement de cette approche sur les peptides bêta-amyloïdes. Il s'agit d'un moyen original et novateur pour mettre en évidence les modifications structurales et leurs dynamiques durant le processus d'agrégation amyloïde. L'application de cette technologie nous permettra par exemple de caractériser l'impact des polluants environnementaux sur le taux d'agrégation et la morphologie amyloïde. L'objectif est de développer une nouvelle méthodologie, à l'échelle de la molécule unique, permettant d'étudier la dynamique d'assemblage de peptides bêta-amyloïdes in vitro. Cette méthodologie nous permettra d'apporter un nouvel éclairage sur le mécanisme de leur formation et nous permettra d'envisager de nouvelles stratégies diagnostiques ou thérapeutiques pour les moduler afin de limiter les troubles cognitifs et la démence.

The real-time and low-cost analysis of biological markers present in low concentration in a sample is of strategic importance for the implementation of early diagnosis tools for Alzheimer's disease. Among these biomarkers, beta-amyloid peptides are the major components of amyloid plaques, which are found in patients with the disease. The 'amyloid cascade' hypothesis proposes that the accumulation of this amyloid peptide induces toxicity to nerve cells. Amyloids are ordered assemblies of proteins or peptides whose mechanism of formation is not fully understood. Indeed, there is no methodology to continuously characterize the structural evolution (e.g. a change in size and morphology) of a protein or peptide during its pathological transformations. To overcome this problem, the "single nanopore" technology would be an efficient solution compared to conventional methods. This technology allows to detect and characterize in real time macromolecules passing through a pore of adjustable diameter, with dimensions comparable to the analyte of interest, via a detector based on resistance measurements. Electrical detection by nanopores (i.e., perturbations of the current induced by the passage of an object) is done in single molecules and allows to obtain a "fingerprint" of the macromolecule according to its size, its charge, its dipole moment and its interaction with the nanopore. Thus, each macromolecule has in "theory" a unique signature. The advantages of the nanopore technology are: the total absence of any labeling and the possibility to detect very low sample concentrations (pM). Our "single nanopore" experimental approach has already been validated in the laboratory to elucidate amyloidogenic intermediates of beta-lactoglobulin and tau protein. This project concerns the development of this approach on beta-amyloid peptides. It is an original and innovative way to highlight the structural modifications and their dynamics during the amyloid aggregation process. The application of this technology will allow us, for example, to characterize the impact of environmental pollutants on the rate of aggregation and the amyloid morphology. The objective is to develop a new methodology, at the single molecule level, to study the assembly dynamics of beta-amyloid peptides in vitro. This methodology will allow us to shed new light on the mechanism of their formation and will allow us to consider new diagnostic or therapeutic strategies to modulate them in order to limit cognitive disorders and dementia.