Thèse en simulation moléculaire de protéines membranaires (H/F)

Description du Poste

Sujet De Thèse

Les cytochromes bd-oxydases forment une famille de protéines membranaires qui catalysent la réduction de l’oxygène en eau, présentes uniquement chez des espèces procaryotes. En plus de cette réduction catalytique du dioxygène, les cytochrome bd oxydases semblent jouer un rôle curcial dans la protection des procaryotes au stress oxydatif, dans la virulence des bactéries, leur adaptabilité, et dans leur résistance aux antibiotiques.

A ce jour, des structures de cytochromes bd provenant de quatre espèces différentes (E. Coli, Mycobacterium smegmatis, Mycobacterium tuberculosis et Corynebacterium glutamicum) sont disponibles, dont la première a été résolue en 2016. Toutes ces structures possèdent en leur sein trois cofacteurs héminiques : 2 hèmes de type b et un hème de type d. L’arrangement spatial de ces 3 hèmes est en revanche différent selon les espèces, de même que l’ordre de leurs potentiels rédox [1,2]. Une étude récente de Murali et al. [3] a confirmé la grande diversité structurale dans la famille des cytochromes bd. De plus, l’observation des structures a permis d’invalider le mécanisme suggéré de réduction de O2 entre l’hème b595 et l’hème d. La compréhension fine du mécanisme catalytique est donc à ce jour toujours manquante, de même que le rôle de la diversité observée entre les organismes. Il est toutefois admis que les électrons nécessaires à la réduction sont initialement apportés par des quinones (sous leurs formes quinols) qui les transmettent (un par un) à l’un des deux hèmes b (le plus accessible au solvant). Les électrons sont ensuite acheminés par des transferts d’électron entre les hèmes jusqu’à l’hème d, où se déroule l’étape de réduction de O2.

Nous avons débuté il y a quelques années l’étude du Cytochrome bd-I de E. Coli en nous intéressant au transfert d’électron entre le deuxième hème b et l’hème d [4]. Nous avons pour cela réalisé des simulations de dynamique moléculaire de la protéine enchassée dans une membrane lipidique dans plusieurs états rédox pour évaluer la thermodynamique du processus. Nous souhaitons maintenant étendre notre compréhension du fonctionnement de ce cytochrome bd en étudiant différentes étapes du mécanisme enzymatique, partant de la fixation de la quinone jusqu’à la réduction finale du dioxygène.

Ce projet de thèse s’inscrit dans la continuité de nos premiers travaux et a pour objectif de caractériser différentes étapes du mécanisme catalytique de réduction du dioxygène par les cytochromes bd, en nous focalisant sur le cytochrome bd-I de E. Coli. Ce travail nécessitera l’utilisation d’un large panel de méthodes de modélisation moléculaire 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. Les principaux points qui seront abordés au cours de ce travail sont les suivants :
1. Détermination et caractérisation du site de fixation des quinones au cytochrome bd, à proximité du premier hème b. Pour ce faire, nous utiliserons des simulations de dynamique moléculaire à l’échelle de la microseconde pour évaluer la pertinence de modèles d’interaction entre les quinones et le cytochrome bd.
2. Etude du transfert d’électron initial entre la quinone (sous sa forme quinol) et le premier hème b. Ces études nécessiteront des approches de dynamique moléculaire dans un formalisme QM/MM afin de tenir compte des échanges de protons qui sont couplés au transfert d’électron.
3. Etude du mécanisme réactionnel de la réduction finale de l’oxygène en eau sur l’hème d, à l’aide de simulations de dynamique moléculaire dans un formalisme QM/MM

Ce projet sera réalisé dans le cadre du projet ANR UTAH, en collaboration avec une équipe de l’Université de Strasbourg et une équipe de l’Université Aix-Marseille. Les résultats obtenus par simulation moléculaire seront ainsi corrélés avec des résultats expérimentaux (spectroscopie IR et RPE) et théoriques (propriétés magnétiques) obtenus par les équipes partenaires et un dialogue expérience/théorie permettra d’enrichir le projet.

Le candidat recherché devra être titulaire (ou en cours de M2) d’un Master en Chimie ou en Physique Moléculaire, ou dans le domaine de la Modélisation Moléculaire en Biologie comprenant des enseignements ou un stage en chimie théorique ou modélisation moléculaire.

La personne recrutée aura l’opportunité au cours de ce travail de se former à une large gamme de méthodes de la chimie théorique et de la simulation moléculaire appliquées à l’étude des biomolécules. Elle trouvera au sein du groupe de chimie théorique (ThéoSim) de l’ICP un environnement particulièrement favorable pour développer ses compétences. Les membres du groupe possèdent en effet une expérience reconnue dans le domaine de la simulation des processus physico-chimiques au sein des protéines. Pour effectuer ces calculs, la personne recrutée aura accès au cluster de calcul du laboratoire ainsi qu’aux supercalculateurs des centres nationaux du GENCI.

[1] R. Murali, R.B. Gennis, J. Hemp, Evolution of the cytochrome bd oxygen reductase superfamily and the function of CydAA’ in Archaea (2021) ISME J. 15(12) : 3534-3548.
[2] A. Nikolaev, S. Safarian, A. Thesseling, D. Wohlwend, T. Friedrich, H. Michel, T. Kusumoto, J. Sakamoto, F. Melin, P. Hellwig (2021) Electrocatalytic evidence of the diversity of the oxygen reaction in the bacterial bd oxidase from different organisms, Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. 1862(8) : 148436.
[3] R. Murali, R.B. Gennis, J. Hemp, Evolution of the cytochrome bd oxygen reductase superfamily and the function of CydAA’ in Archaea (2021) ISME J. 15(12) : 3534-3548
[4] R. Siddeeque, B. Etcheverry, C. Cattin, J. Deviers, F. Melin, P. Hellwig, F. Cailliez, A. de la Lande, Computational study of heme b595 to heme d electron transfer in E. coli cytochrome bd-I oxidase (2025) J. Chem. Inf. Model. 2026, 66, 3, 1757–1768

Votre Environnement de Travail

Le projet se déroulera à l’Institut de Chimie Physique de l’Université Paris-Saclay, dans le groupe ThéoSim. La direction sera assurée par le Dr Fabien Cailliez (fabien.cailliez@universite-paris-saclay.fr, HDR) avec un co-encadrement par le Dr Aurélien de la Lande (aurelien.de-la-lande@universite-paris-saclay.fr, HDR).
La personne recrutée sera inscrite à l'Ecole Doctorale 2MIB de l'Université Paris-Saclay.
La thèse se déroulera dans le cadre du projet ANR UTAH, en interaction avec des équipes de recherche de l'Université de Strasbourg et de l'Université Aix/Marseille.

Rémunération et avantages

Rémunération

2300€ brut mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

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