Résoudre le paradoxe de Levinthal pour l'encapsidation du génome dans les virus icosaédriques à ARN simple brin – GENPACK-VIRUS

Les virus à ARN sont des pathogènes qui infectent toutes les formes de vie. Les virus dont les génomes sont des ARNs messagers, par la suite appelés simplement virus à ARN simple brin (ssRNA), constituent un problème de santé publique majeur (virus de l'hépatite C, de la Dengue, ou encore Zika), et occasionnent de sérieuses difficultés économiques et vétérinaires à travers le monde. Bien qu'extrêmement divers, les virus à ssRNA ont en commun une simple coque protéique – la capside – protégeant le génome. Certains virus à ssRNA simples peuvent même s'auto-assembler in vitro et former des particules infectieuses à partir des composants purifiés. Malgré de nombreuses études dédiées à la biologie moléculaire du cycle viral, la capacité des virus à s'auto-assembler défie toujours la compréhension théorique. En particulier, étant donné le nombre astronomique d'états intermédiaires possibles conduisant aux virions assemblés, le système doit avoir trouvé des façons de simplifier les chemins disponibles, surmontant une situation qui s'apparente au paradoxe de Levinthal pour le repliement des protéines. Il n'existe pas à ce jour de modèles physiques décrivant de manière fiable les chemins dynamiques le long desquels les centaines de briques moléculaires constituant un virus s'arrangent au sein de la structure finale.

L'objectif de ce projet est d'élucider les chemins dynamiques pour l'empaquetage du génome dans les virus icosaédriques à ssRNA. Le modèle viral sera dérivé du virus de la marbrure chlorotique de la cornille (CCMV) – un virus de plante qui a été largement utilisé pour des études physiques et nanotechnologiques –, et dans une moindre mesure, de son proche parent le virus de la mosaïque du brome (BMV). L'ARN sera soit purifié ou bien synthétisé par transcription in vitro afin de tester différentes longueurs et séquences. Du poly(styrène acide sulfonique) (PSS) sera utilisé comme homopolymère synthétique chargé afin de distinguer entre les effets électrostatiques et les mécanismes de reconnaissance spécifique. Nous proposons de déployer un ensemble de techniques physique de pointe afin de sonder les processus dynamiques à haute résolution spatio-temporelle :

1. Le premier ensemble d'expériences s'appuiera sur des techniques de moyenne d'ensemble comprenant la diffusion des rayons X aux petits angles résolue en temps (TR-SAXS) avec une source synchrotron à haute brillance, complémentées par des algorithmes d'analyse dédiés. Nous identifierons les premiers états transitoires qui s'établissent au cours des premières dizaines de millisecondes et nous reconstruirons les espèces associées avec une résolution nanométrique ;
2. En parallèle, nous suivrons les mêmes processus à l'échelle de la molécule unique par microscopie de fluorescence par réflexion totale interne (TIRFM). Grâce à la haute sensibilité de cette technique, le nombre de dimères associés à une molécule d'ARN sera déterminé en fonction du temps. Nous espérons obtenir une précision de quelques dimères et une résolution temporelle de quelques centaines de millisecondes.

Ce projet constituera une étude complète et ambitieuse sur l'empaquetage du génome viral à haute résolution spatio-temporelle. Nous anticipons ainsi l'émergence d'une stratégie multidisciplinaire qui combine les concepts de la physique de la matière molle avec la virologie. Ce nouveau champ disciplinaire souvent nommé « virologie physique » est encore embryonnaire, surtout en France.

Les premières investigations sur l'auto-assemblage des capsides icosaédriques ont été initiées par Guillaume Tresset (LPS) et Stéphane Bressanelli (I2BC) il y a quelques années. La collaboration est déjà établie et s'est révélée fructueuse. Le partenariat sera étendue aux études en molécule unique en impliquant Thierry Bizebard (IBPC). Ce projet sera ainsi l'occasion de renforcer les liens existants et d'introduire un savoir-faire complémentaire dans le consortium.