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Image extraite du site du Tsien Lab
Cette thèse présente une étude théorique de protéines de la famille de la Green Fluorescent Protein, GFP. Ces protéines permettent grâce à leur propriétés de fluorescence d’explorer un nombre croissant de processus biologiques in vivo. Les approches numériques, complémentaires aux études expérimentales, peuvent apporter une compréhension microscopique des processus mis en jeu et contribuer à l’interprétation des propriétés photophysiques de ces protéines.
La première partie de ma thèse présente l’étude par simulation moléculaire de l’effet du changement de pH sur la structure de la Cerulean et sur son spectre d’absorption. Ces calculs nous ont permis d’établir que le décalage du spectre d’absorption, observé expérimentalement en fonction du pH, est dû à une isomérisation du chromophore liée au changement de l’orientation de la chaîne latérale d’un acide aminé proche.
La deuxième partie de la thèse aborde l’étude d’un mécanisme de désactivation de la fluorescence dans la GFP. Nous avons proposé une approche, combinant des simulations de dynamique moléculaire biaisée (Umbrella Sampling) et de dynamique brownienne, afin de déterminer la cinétique d’un mécanisme de désactivation de la fluorescence lié à une torsion du chromophore. Nous avons pu obtenir des distributions de temps de nème passage aux géométries critiques et en déduire des informations quantitatives sur le déclin de fluorescence.
Les outils développés et leurs développements permettront de progresser dans la compréhension de la relation entre l’isomérisation du chromophore, le pH et le déclin de la fluorescence qui sont étroitement liés dans les protéines fluorescentes.
Ces travaux ont été réalisés en utilisant différentes méthodes de simulations numériques : Simulations de dynamiques moléculaires (AMBER), calculs de chimie quantique (Gaussian), codes personnels (Fortran 77 et ou Fortran 90).
Publications
Voici les publications associées à mes travaux de thèses :
- Demachy, I.; Ridard, J.; Laguitton-Pasquier, H.; Durnerin, E.; Vallverdu, G.; Archirel, P.; Lévy, B. Cyan Fluorescent Protein: Molecular Dynamics, Simulations, and Electronic Absorption Spectrum. J. Phys. Chem. B 2005, 109 (50), 24121–24133. https://doi.org/10.1021/jp054656w.d
- Villoing, A.; Ridhoir, M.; Cinquin, B.; Erard, M.; Alvarez, L.; Vallverdu, G.; Pernot, P.; Grailhe, R.; Mérola, F.; Pasquier, H. Complex Fluorescence of the Cyan Fluorescent Protein: Comparisons with the H148D Variant and Consequences for Quantitative Cell Imaging. Biochemistry 2008, 47 (47), 12483–12492. https://doi.org/10.1021/bi801400d.d
- Vallverdu, G.; Demachy, I.; Ridard, J.; Lévy, B. Using Biased Molecular Dynamics and Brownian Dynamics in the Study of Fluorescent Proteins. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM 2009, 898 (1–3), 73–81. https://doi.org/10.1016/j.theochem.2008.07.012.d
- Vallverdu, G.; Demachy, I.; Mérola, F.; Pasquier, H.; Ridard, J.; Lévy, B. Relation between PH, Structure, and Absorption Spectrum of Cerulean: A Study by Molecular Dynamics and TD DFT Calculations. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 2010, 78 (4), 1040–1054. https://doi.org/10.1002/prot.22628.d
- Jonasson, G.; Teuler, J.-M.; Vallverdu, G.; Mérola, F.; Ridard, J.; Lévy, B.; Demachy, I. Excited State Dynamics of the Green Fluorescent Protein on the Nanosecond Time Scale. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7 (6), 1990–1997. https://doi.org/10.1021/ct200150r.d