Dynamique, cinétique et assemblage des protéines désordonnées modèles d'un point de vue de la physique des polymères – IDPXN

Le projet IDPXN a combiné des études expérimentales et de simulation de la diffusion non Fickienne au sein de l'environnement très dense d'assemblages de β-caséine, qui constituent un modèle pour les condensats extrêmement denses de protéines intrinsèquement désordonnées. Dans une large gamme de concentrations protéiques proches des concentrations physiologiques typiques, les interactions hydrodynamiques induisent des interactions protéine-protéine dès la nanoseconde, bien avant l'apparition d'interactions directes. En physique des colloïdes, ce régime hydrodynamique est appelé régime de diffusion à court terme. La diffusion à court terme de traceurs protéiques dans des modèles de cellules vivantes polydisperses s'est avérée conforme à une diffusion Fickienne simple [M. Grimaldo et al., J.Phys.Chem.Lett. 10, 1709 (2019) et C. Beck et al., J.Phys.Chem. B 126, 7400 (2022)]. Cependant, le cas d'une densité extrême, supérieure à la densité moyenne dans les cellules vivantes mais se produisant localement dans les condensats biomoléculaires, reste inexploré.

Le projet IDPXN a combiné des expériences utilisant les instruments de diffusion de rayons X et de neutrons les plus avancés, notamment la spectroscopie de corrélation de photons X à haute fréquence (mégahertz) auprès du Laser à électrons libres européen (EU-XFEL) et la spectroscopie neutronique à haute résolution grâce à un nouveau système de découpage rapide des impulsions (“choppers”). Ces expériences, permettant d'accéder à des échelles de temps de l'ordre de la picoseconde à la microseconde sur des échelles nanométriques, ont contribué à la caractérisation de la β-caséine et d'autres protéines de référence en solution aqueuse. Ce travail a permis d'élaborer un modèle de condensats de protéines intrinsèquement désordonnées (IDP) extrêmement denses, représentés par des assemblages de β-caséine. Ce modèle montre que la diffusion des traceurs des protéines individuelles au sein des condensats s'écarte de la diffusion Fickienne simple. L'écart systématique observé est en accord phénoménologique avec la diffusion par sauts de Singwi-Sjölander, précédemment établie pour la diffusion dans les liquides, et peut être expliqué par l'hétérogénéité dynamique et des termes non Gaussiens. Ce modèle d’hétérogénéité dynamique et de contributions non Gaussiennes explique à la fois les données expérimentales et simulées de la diffusion des protéines au sein des assemblages denses de β-caséine (voir la figure ci-dessous).

Les résultats de ce projet portent sur des aspects fondamentaux de la physique de la diffusion dans les systèmes à plusieurs particules, ainsi que sur son impact sur les fluides complexes constitués d'assemblages denses de macromolécules flexibles, notamment les condensats biomoléculaires. Ces résultats intéresseront les physiciens expérimentaux et théoriciens, les physicochimistes, les biologistes, ainsi que les chercheurs étudiant la dynamique des condensats biomoléculaires dans le domaine des sciences médicales. Les principales publications scientifiques sont en cours d'évaluation par des pairs en comité de lecture à la clôture du projet.

Les assemblages supramoléculaires constituées de protéines intrinsèquement désordonnées (PID), c.-à-d. de protéines caractérisées par l'absence d'une structure 3D unique, sont importants dans la signalisation cellulaire et l'organisation spatiale des cellules et peuvent être impliquées dans des pathologies. Nous souhaitons explorer la dynamique et la cinétique de tels assemblages pour aider à comprendre les mécanismes fondamentaux des maladies liées aux PID. En utilisant des systèmes modèles - différentes caséines, des types a, ß, and kappa, (toutes désordonnées) et ß-lactoglobuline et apo-myoglobine (tous deux ordonnés), nous établirons leurs diagrammes de phase respectifs, pour déterminer l'espace des paramètres conduisant à la formation d'assemblages supramoléculaires de PID et quantifier l'influence du désordre des protéines. Nous étudierons également des protéines dénaturées. Ce projet combinera systématiquement des méthodes de diffusion des rayons X et neutrons et la théorie.