Soutenance de thèse de Marlon SIDORE

Les protéines membranaires occupent en moyenne 50% de la masse des membranes cellulaires, mais des membranes spécialisées peuvent avoir de 20 à 90% de leur masse en protéines, comme dans les membranes du cristallin d'une part et celles qui hébergent certains appareils photosynthétiques d'autre part. Dans ce cadre, l'importance de l'assemblage des protéines membranaires dans des complexes cohérents, dynamiques et fonctionnels n'est plus à démontrer. Mon projet s'inscrit dans la compréhension des forces qui mènent à l'assemblage des protéines membranaires. J'utilise pour cela le modèle de l'Aquaporine Z de E. coli qui est étudié expérimentalement au laboratoire et est idéale de part sa structure homotétramérique très conservée dans un contexte de divergence de séquence élevée. Par ailleurs cette famille de protéines réalise ses fonctions de transport d'eau et de petits solutés au sein d'une très grande variété de membranes hôtes. Sur ce modèle des approches de dynamique moléculaire ont pu mettre en évidence des perturbations de la structure des lipides qui pourraient être à l'origine de forces s'exerçant à longue distance. J'utilise une approche de dynamique gros grains avec des forces de biais adaptatifs (ABF) pour étudier les relations entre orientations de deux monomères d'AqpZ. Il existe de façon surprenante des forces se propageant à longue distance vraisemblablement par les lipides. Un deuxième axe de mon travail est l'étude des enrichissements lipidiques autour de l'AqpZ native ou mutée, à différentes distances, avec l'utilisation d'une membrane complexe rendant compte de la diversité lipidique de la membrane interne d'E.coli. Dans cette analyse, la cardiolipine est enrichie à proximité de la protéine. Les résultats obtenus sont comparés avec des analyses de fractions lipidiques qui entourent l'aquaporine Z lors d'extraction dans des nanodisques de SMA. Dans la continuité de cet axe, j'ai développé un polymère gros grains rendant compte des propriétés physico-chimiques du SMA pour interroger l'influence du polymère sur ces enrichissements. Enfin, j'ai construit un système contenant 125 monomères d'AqpZ dans des membranes simples ou complexes, qui représentent 50% en masse en protéines, pour pouvoir questionner l'évolution spontanée d'un tel système encombré ainsi que la mobilité des lipides.

Membrane proteins compose on average 50% of the mass of biological membranes, but specialized membranes can have from 20% to up to 90% of their mass in proteins, such as lens or photosynthetic membranes. The importance of the assembly of membrane proteins in coherent and functional complexes is well-established. My project contributes to the understanding of the forces which lead to the assembly of membrane protein complexes. To this end, I used the model protein Aquaporin Z (AqpZ), which is studied experimentally in the laboratory and is a good model given its homotetrameric extremely conserved structure in a context of high sequence divergence. Moreover, this protein family acts as water and small solute channels in a very large variety of host membranes. On this model, molecular dynamics could highlight structural perturbations of lipids which could be at the onset of forces acting at long range. In this work, I used a coarsed grain approach with adaptive biasing forces (ABF) to study the relations between the orientations of two AqpZ monomers. Surprinsingly, we uncovered forces propagating at long range, likely through lipids. A second section of my work is the study of lipid enrichments around the AqpZ, wild type or mutant and at different distances from the protein, by using a complex membrane model that mimics the lipid diversity of the inner membrane of E.coli. In this analysis, cardiolipin is enriched at protein proximity. The results are then compared with analyses of lipidic fractions within AqpZ containing SMA nanodiscs. Following this work, I developped a coarsed grain polymer that mimics the chemical and physical properties of SMA to investigate the influence of this polymer on these enrichments. Finally, I built a system containing 125 AqpZ monomers in simple or complex membranes, where proteins represent 50% of the mass of the total membrane, to question the spontaneous evolution of such a crowded system along with lipid mobility.