En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez le dépôt de cookies dans votre navigateur. (En savoir plus)

Doctorant simulation moléculaire appliquée à la biologie (H/F)

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : jeudi 14 juillet 2022

Assurez-vous que votre profil candidat soit correctement renseigné avant de postuler. Les informations de votre profil complètent celles associées à chaque candidature. Afin d’augmenter votre visibilité sur notre Portail Emploi et ainsi permettre aux recruteurs de consulter votre profil candidat, vous avez la possibilité de déposer votre CV dans notre CVThèque en un clic !

Informations générales

Référence : UMR8000-FABCAI-001
Lieu de travail : ORSAY
Date de publication : jeudi 23 juin 2022
Nom du responsable scientifique : Fabien Cailliez
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 3 octobre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Les NADPH oxydases (NOX) sont des enzymes qui jouent un rôle fondamental dans la défense de nombreux organismes (mammifères, champignons, plantes…) contre des agents pathogènes (Nauseef, Curr. Opin. Immunol. 60, 130–140 (2019)). Elles catalysent la réduction du dioxygène en espèces réactives telles que l' anion superoxyde ou le peroxyde d'hydrogène. Leur mauvais fonctionnement est responsable de pathologies comme le vieillissement cellulaire, des maladies neurodégénératives, ou des inflammations. Le cœur de la machinerie des NADPH-oxydase de leucocytes est le flavocytochrome b558 (Cytb558), constitué de deux sous-unités transmembranaires NOX2 et p22phox. La structure cristallographique de NOX5 (homologue de NOX2) a permis de révéler la position des cofacteurs rédox qui portent intermédiairement les électrons, à savoir une flavine et 2 hèmes (Magnani et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 114, 6764–6769 (2017)). Les ressorts physico-chimiques permettant aux NOX de réguler les transferts d'électron (TE) transmembranaires pour produire les superoxydes attendent pour l'essentiel d'être découverts.

La simulation moléculaire est un outil de choix pour accéder aux mécanismes moléculaires des processus biochimiques. Dans le contexte des NOX, nous avons ainsi récemment apporté des éléments mécanistiques originaux sur le transfert d'électron inter-hèmes et sur les cavités permettant la coordination de dioxygène au sein du domaine transmembranaire (Wu et al., Front. Chem. 9:650651 (2021)). Pour autant, de nombreuses questions restent ouvertes. Par exemple :
• Les 2 électrons provenant du NADPH sont-ils transférés un à un pour réduire successivement 2 molécules de dioxygène, ou bien sont-ils injectés dans la membrane (un sur chaque hème) avant la liaison du dioxygène ?
• Les molécules de dioxygène peuvent-elles se lier à la protéine avant les transferts d'électrons, ou bien ne s'associent-elles que lorsque l'hème externe est réduit ?
• Quels sont les transferts d'électron limitant au sein de la NOX ?
• Quels sont les résidus clés qui contrôlent les différents transferts d'électron ?

Ce projet de thèse a pour objectif de caractériser, à l'aide de simulations moléculaires, les différentes étapes de transfert d'électrons (NADPH → flavine → Hème 1 → Hème 2 → O2) au sein des NOX, qui aboutissent in fine à la formation d'anions superoxyde. Afin d'aborder l'étude de ces systèmes complexes, un large panel de méthodes de modélisation moléculaire sont nécessaires, allant de la construction de structures 3D de complexes protéiques insérés dans des membranes par des méthodes de bioinformatique à des calculs de chimie quantique, en passant par des simulations de dynamique moléculaire classique utilisant des champs de forces avancés.

Les principaux aspects qui seront développés au cours de la thèse sont les suivants :
1. Evaluation de la thermodynamique des étapes de transfert d'électron (TE). Cette étape s'appuiera sur un protocole bien maitrisé dans notre groupe (de la Lande et al., Archives of Biochemistry and Biophysics 582, 28–41 (2015) ; Cailliez et al., J. Am. Chem. Soc. 138, 1904–1915 (2016)), qui consiste en des simulations de dynamique moléculaire du système dans différents états rédox des cofacteurs impliqués dans le transfert d'électron, correspondant aux intermédiaires réactionnels, accompagnées de calculs de chimie quantique. Afin de disposer d'une évaluation la plus fiable possible des grandeurs thermodynamiques, il est nécessaire d'utiliser d'un champ de forces traitant les interactions électrostatiques de façon très précise. Le champ de forces multipolaire et polarisable AMOEBA sera utilisé. Les paramètres de champs de forces permettant de décrire certains des cofacteurs rédox devront être développés et validés au cours de l'étude.
2. Evaluation des constantes de vitesse de transferts d'électron. Le formalisme de la théorie de Marcus permet de déterminer les constantes de vitesse des TE à partir de paramètres thermodynamiques et des couplages entre états électroniques. Le calcul de ces derniers nécessite l'utilisation de méthodes de chimie quantique implémentées dans le logiciel DFT deMon2k, développé en partie à l'Institut de Chimie Physique (ICP).
3. Identification de résidus clés pour les TE. Les études thermodynamique et cinétique (points 1 et 2) permettront de suggérer le rôle fondamental de certains acides aminés. Des mutations in silico seront réalisées pour valider les hypothèses réalisées dans le but de proposer un mécanisme complet et détaillé des transferts d'électron au sein de NOX2.
4. Analyse de la diffusion du dioxygène et de l'anion superoxyde. L'étape finale du fonctionnement de NOX2 correspond à la réduction du dioxygène en anion superoxyde. Il n'est pas clair si cette dernière étape est cinétiquement limitée par le transfert d'électron ou bien par la diffusion des espèces oxygénées. L'étude de la diffusion de ces dernières et de leur fixation à proximité de l'hème revêt donc une grande importance et sera évaluée à l'aide de simulations de dynamique moléculaire.

L'ensemble de ce projet sera réalisé dans le cadre d'une collaboration entre des théoriciens (à l'ICP et au Laboratoire de Biochimie Théorique de l'IBPC) et des expérimentateurs (à l'ICP et à l'Institut de Biologie Intégrative – I2BC) visant à caractériser l'ensemble des étapes de transfert d'électron impliquées dans la formation des anions superxoydes pour mieux comprendre le fonctionnement des NOX. Les résultats obtenus par simulation moléculaire seront ainsi corrélés avec des résultats expérimentaux et un dialogue expérience/théorie permettra d'enrichir le projet.

Contexte de travail

Le projet se déroulera à l'Institut de Chimie Physique de l'Université Paris-Saclay, CNRS UMR8000. La direction sera assurée par le Dr Aurélien de la Lande et par le Dr Fabien Cailliez. La personne recrutée sera inscrite à l'Ecole Doctorale 2MIB de l'Université Paris-Saclay.
La thèse se déroulera en forte interaction avec des membres du Laboratoire de Biochimie Théorique de l'IBPC à Paris (Dr Marc Baaden, Dr Sophie Sacquin-Mora, Dr Antoine Taly), spécialistes de la simulation des systèmes membranaires.

On en parle sur Twitter !