Vers les protéines dont la fluorescence est induite par un ligand – InducedFluo

Les principales propriétés seront obtenues grâce à une approche multi-échelle allant de la simulation du ligand isolé au ligand confiné dans la protéine, avec une stratégie de complexité croissante. Nous appliquerons des approches théoriques multi-échelles de pointe. Plus précisément, les outils de mécanique moléculaire (MM) seront associés à la fois aux méthodes de mécanique quantique (QM) et aux méthodes hybrides QM/MM. La dynamique des protéines apoUnaG et holoUnaG ainsi que les capacités de la BR à se lier seront évaluées par des simulations de dynamique moléculaire (DM) et des calculs d'énergie libre afin de rationaliser l'une des caractéristiques les plus intrigantes d'UnaG. En outre, une extension de l'approche non empirique du potentiel effectif de fragment (EFP) est envisagée pour tenir compte de la polarisation électronique de l'environnement une fois que le ligand est irradié.

Les simulations longues de DM d'apoUnaG, holoUnag [type sauvage (WT) et mutants N57Q et N57A] ont révélé des caractéristiques pertinentes qui peuvent expliquer les spectres de fluorescence (rendements quantiques faible). En effet, dans WT, le ligand est confiné dans Unag avec des interactions très stables avec deux hélices (H2 et H3) coiffant le tonneau de feuillet bêta tandis qu'une boucle (L3) s'éloigne légèrement. Dans le tonneau, la BR fait des interactions fortes et stables avec T61, R112, Y134 tout au long des simulations ainsi qu'avec des molécules d'eau. De telles interactions conduisent à une conformation de la BR quasi rigide fravorisant un large rendement quantique lors de l'émission d'un photon. Dans les mutants N57A et N57Q, c'est l'inverse qui se produit, BR forme une nouvelle interaction avec Ser80 présent dans L3 induisant une ouverture du canon (H2 et H3 s'éloignant légèrement). Le réseau de liaisons H autour de BR est rompu et donc l'un des cycles pyrrole de la BR a beaucoup plus d'espace libre induisant des rotations intromoléculaire ce qui favorise des phénomène non-radiatif diminuant le rendement quantique de la protéine.

De plus, nous avons mis en place une interface de programmation d'application (API) nommée DesignFP avec l'automatisation de plusieurs étapes redondantes allant de la phylogénie, la construction de modèles 3D, les simulations MD et l'ancrage d'une liste de composés. L'API est pour le moment uniquement disponible pour notre équipe via gitLab

Janvier 2021 -> juillet 2021
Test et banc d'essai d'EFP sur la structure WT Xray afin d'évaluer les énergies binging au niveau EFP de la théorie et les spectres d'absorption au niveau de la théorie QM / EFP.

Août 2021 -> décembre 2021
Nous explorerons les activités anti-oxydantes du BLR et de plusieurs dérivés qui pourraient être ancrés dans apoUnaG. En outre, nous visons à améliorer (TD) -DFT en utilisant des approches de fonction d'onde telles que (SCS-) CC2. Livrable: 1 article.
Élargissement des calculs QM / EFP aux simulations et aux mutants.

Janvier 2022 -> décembre 2022
Conception de nouveaux environnements de ligands et amarrage de composés de tétrapyrrole à chaîne ouverte. Livrable: 1 article.
Calculs d'énergie libre de liaison. Des simulations de MD orientées ont déjà été réalisées mais ne sont pas optimales pour de tels systèmes.

Conferences:

1. M. Asad, A. Laurent, Poster presentation, JTMS2020, Exploring Structural Modifications of UnaG Fluorescent Protein Dynamics upon Mutations
2. A. Laurent, Invited Talk, GdR Photo Electro Stimulation Meeting (2020), Photochemical properties of molecular probes using quantum chemistry
3. A. Laurent, HDR Defense (2019), Modelling molecular and complexed surroundings properties

General conference:
A. Laurent, Obtention d’une ANR JCJC : témoignage, dans le cadre de l’Académie PULSAR (2020).

Une nouvelle classe de protéine fluorescente dont la fluorescence est induite par un ligand (LIFP, Ligand Induced fluorescente protein) a été découverte très récemment (Juin 2013) et est extrêmement prometteuse. La protéine holoUnaG émet une lumière verte intense et lumineuse uniquement lorsque le ligand bilirubine (BR) est lié de manière non-covanlente à celle-ci (apoUnaG). Le taux de BR dans le sang renseigne sur les fonctions hépatiques de l'homme, cependant sa mesure se réalise depuis 100 ans de manière indirect. La découverte de holoUnaG est essentiel pour mesurer les taux de BR dans le sang de manière rapide et directe lors de maladie du foie. UnaG est également une protéine prometteuse car l'absence d'oxygène comme c'est le cas dans les tumeurs n'est pas nécessaire à son emission de lumière verte.

Le but de ce projet est d'étudier, pour la première fois, les propriétés électroniques et dynamiques de la protéine holoUnaG en employant l'état de l'art des outils computationnel multi-échelles comprennant: i) la mécanique quantique, méthodes robustes et / ou raffinées pour modéliser les états excités et donc l'emission ii) les méthodes hybrides alliant la mécanique quantique hybrides et la mécanique moléculaire (QM/MM) afin de prendre en compte l'environnement du ligand de manière explicite; iii) la dynamique moléculaire pour évaluer l'impact des changements de conformation sur le spectre optique; iv) des calculs d'énergie libre permettant d'estimer l'affinité de la BR avec apoUnaG; et v) la mutation de certains résidus et la conception de nouveaux ligands affin à cette protéine. Dans les méthodes hybrides QM/MM nous allons utiliser une méthode très récente pour tenir compte explicitement pour la polarisation électronique de la protéine entourant le ligand. Après une exploration minutieuse des propriétés holoUnaG, nous allons suggérer des modifications de résidus voisins cruciales autour BR pour réguler sa réponse afin d'élargir l'activité spectrale de la BR fois lié à la protéine. Finalement, nous devrions être en mesure de se associer à d'autres apoUnaG acides gras humains composés similaires à BR qui ne ciblent pas le foie, mais d'autres fonctions humaines.