Curriculum Vitae

Marie Brut

Sommaire

I Curriculum Vitae 1II Enseignement et responsabiliteacutes administratives 3III Production scientifique 4IV Activiteacutes de recherche 4

I Curriculum VitaeMarie BRUT

LAAS-CNRSEquipe Nano Ingeacutenieacuterie etInteacutegration des Systegravemes

7 Avenue du Colonel Roche31077 Toulouse Cedex 4Tel +0033(0)561336304E-mail mbrutlaasfrhttpwwwlaasfr

Domaine de recherche

Docteur en Nanophysique interface Physique-Biologie

Modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique pour les systegravemes biologiques et bio-hybrides

ndash flexibiliteacute structurale des biomoleacutecules et meacutecanismes drsquoajustement induit

ndash modegraveles physiques pour les mateacuteriaux bio-hybrides

rarr proteacuteines pour lrsquointeacutegration de fonctions activesrarr aptamegraveres pour des applications capteurs

1

I Curriculum Vitae Marie Brut - LAAS-CNRS

Situations professionelles

Depuis 2011 Maicirctre de Confeacuterences stagiaire agrave lrsquoUniversiteacute Toulouse 3

2009 - 2011 Post-doctorat CSB Stanford School of Medicine Etats-UnisMoteurs moleacuteculaires agrave ATP nouvelle meacutethodologie pour lrsquoexplorationdes changements conformationnels induits dans lrsquoespace des torsions

2006 - 2009 Doctorat en Nanophysique LAAS-CNRS ToulouseNouvelle approche meacutethodologique pour la prise en compte de la flexibiliteacutedans les interactions entre moleacutecules biologiques les Modes Statiques

Formation

2006 - 2009 Thegravese de Doctorat en Nanophysique Universiteacute de ToulouseSoutenue le 5 mars 2009 au LAAS-CNRS agrave ToulouseDirecteurs de thegravese Pr Mehdi Djafari Rouhani Dr Alain Estegraveve et jury F Nepveu Professeur Universiteacute de Toulouse preacutesidenteJ-C Latombe Professeur Stanford University rapporteurJ-M Victor Directeur de recherche LPTMC-CNRS Paris rapporteurM Erard Directrice de recherche IPBS-CNRS ToulouseC Prevost Chargeacutee de recherche IBPC-CNRS ParisF Daumas Directeur du CEEI Theacuteogone ToulouseM Djafari Rouhani Professeur Universiteacute de ToulouseA Estegraveve Chargeacute de recherche LAAS-CNRS ToulouseAM Boudet Professeur Directeur de lrsquoITAV Toulouse

2004 - 2005 Master Recherche Nanophysique Nanocomposants NanomesuresINSA de Toulouse et Universiteacute Toulouse 3 mention AB

2003 - 2004 Maicirctrise de Physique Fondamentale Universiteacute Toulouse 3

2002 - 2003 Licence de Physique Fondamentale Universiteacute Toulouse 3

2000 - 2002 DEUG en Sciences de la Matiegravere Universiteacute Toulouse 3

Financements

2011 - 2012 - Agence Nationale de la Recherche (ANR - VibbNano)

2009 - 2011 - National Institute of Health Etats-Unis

2006 - 2009 - Agence Nationale de la Recherche (ANR - NanoBioMod)- Institut des Technologies Avanceacutees en sciences du Vivant (ITAV - ALMA)

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Marie Brut - LAAS-CNRS II Enseignement et responsabiliteacutes administratives

Compeacutetences informatiques

Langages C C++ Fortran Python Matlab Perl (notions)Conception web Dreamweaver KompoZer iWeb isensCalcul Gaussian AMBER CHARMM NAB GROMACS X3DNA ENCADInfographie Molden Molekel VMD Rasmol PyMol ChimeraEnvironnements Linux Unix WindowsBureautique Microsoft Office Open Office LATEX Vi

II Enseignement et responsabiliteacutes administratives

Enseignement

NB Les heures sont donneacutees en heures eacutequivalent TD

Anneacutee universitaire 2011 - 2012

- Master Pro 2 IM2P2EP9PIMA3 Concepts geacuteneacuteraux de modeacutelisationrarr Conception Assisteacutee par Ordinateur (semestre 1 TD 1 x 6h = 6h)Introduction agrave la simulation des biomoleacutecules et au logiciel AMBER

- L1 Sciences de la Nature- EDST1BC2 Physique (semestre 1)rarr Radioactiviteacute (TD 4 x 6h = 24h)- EDST2BCM Physique et outils informatiques (semestre 2)rarr Optique et Meacutecanique des fluides (cours 2 x 14h = 28h TP 4 x 14h = 56h)

Anneacutee universitaire 2012-2013

- Master Pro 2 IM2P2EP9PIMA3 Concepts geacuteneacuteraux de modeacutelisationrarr Conception Assisteacutee par Ordinateur (semestre 1 TD 1 x 6h = 6h)

- L1 SFA Parcours Speacutecial-EDTST1DBM Physique (semestre 1)rarr Physique (TP 2 x 12h = 24h)

- L1 Sciences de la Nature- EDST1BC2 Physique (semestre 1)rarr Radioactiviteacute (TD 4 x 6h = 24h)- EDST2BCM Physique et outils informatiques (semestre 2)rarr Optique et Meacutecanique des fluides (cours 2 x 14h = 28h TP 2 x 14h = 28h)

3

III Production scientifique Marie Brut - LAAS-CNRS

III Production scientifique

PublicationsRevues Internationales agrave Comiteacute de Lecture

M Brut A Estegraveve G Landa M Djafari Rouhani Mimicking DNA stretching with the StaticMode method Shear stress versus transverse pulling stress Eur Phys J E 35 75 (2012)

M Brut A Trapaidze A Estegraveve A Bancaud D Estegraveve G Landa M Djafari RouhaniBringing aptamers into technologies impact of spacer terminations Applied Phys Lett 100163702 (2012) (Seacutelection Virtual Journal of Biological Physics Research 1er mai 2012)

G Renvez A Estegraveve M Brut G M Djafari Rouhani A Dkhissi The electrostatic probea tool for the investigation of the Aβ(1-16) peptide deformations using the Static Modes PhysChem Chem Phys 13 14611 (2011)

M Brut A Estegraveve G Landa G Renvez M Djafari Rouhani Systematic characterizationof enzyme flexibility and active site stability through Static Modes Case of Escherichia ColiDihydrofolate Reductase J Phys Chem B 115 1616 (2010)

M Brut A Estegraveve G Landa G RenvezM Djafari Rouhani D Gauchard Atomic-scaledetermination of DNA conformational response to strained furanose a Static Mode approachTetrahedron 66 9123 (2010)

M Brut A Estegraveve G Landa G Renvez M Djafari Rouhani The Static Modes An alter-native approach for the treatment of macro- and bio-molecular induced-fit flexibility Eur PhysJ E 28 17 (2009) (en couverture)

A Estegraveve A Bail G Landa A Dkhissi M Brut M Djafari Rouhani J Sudor A-M GueacuteA new insight into the understanding of the collapsed form of poly(N-isopropylacrylamide) mo-lecules Chem Phys 340 12 (2007)

Confeacuterences Internationales agrave Comiteacute de Lecture

M Brut A Estegraveve G Landa M Djafari Rouhani M Vaisset D Gauchard Deformation ofthiolated nucleic acid deposited on a silicon surface a Static Mode approach Mater Sci EngB 169 23 (2010)

Valorisation de logicielDeacutepocirct de logiciel agrave lrsquoAgence pour la Protection des ProgrammesCode FleXible IDDNFR001460023000SP200500000000

IV Activiteacutes de recherche

IV1 Contexte

Au croisement des nanosciences et de la biologie les nanobiotechnologies utilisent des mo-leacutecules biologiques et bio-hybrides comme mateacuteriau et agent structurant en les inteacute-grant dans des nano-dispositifs [1] Elles se placent agrave lrsquointerface entre biologie et physiquemicrofluidique nanomicro-technologies chimie de surface deacutetection optique et eacutelectronique

4

Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

modeacutelisation et bioinformatique Lrsquoobjectif est de manipuler controcircler voire modifier lessystegravemes complexes fournis par la nature Les proteacuteines drsquoune part sont de veacuteritables machinesmoleacuteculaires offrant des fonctions speacutecifiques sophistiqueacutees et ajustables Quant aux acidesnucleacuteiques leurs proprieacuteteacutes drsquoauto-assemblage et drsquohybridation laissent imaginer agrave lrsquoinfini denouvelles solutions pour la nanostructuration par exempleLa modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique est incontournable pour deacutecripter et preacutedireles meacutecanismes et les interactions au niveau moleacuteculaire afin de deacutepasser les limitesde lrsquoexpeacuterimentation mais aussi afin de lrsquoassister et la guider Le calcul intensif est deacutejagrave tregravesutiliseacute par la biologie structurale mais se heurte agrave des problegravemes reacutecurrents tels que la taille dessystegravemes et le traitement des liaisons faibles qui rendent les biomoleacutecules tregraves flexibles [2] Lanouvelle difficulteacute est la mise en place drsquoune modeacutelisation permettant de traiter ces biomoleacuteculeset leur inteacutegration dans des milieux inorganiquesLrsquoobjectif de mes travaux est donc le deacuteveloppement de modegraveles physiques preacute-dictifs pour les proceacutedeacutes nanobiotechnologiques En particulier je suis speacutecialiseacuteedans lrsquoeacutetude agrave lrsquoeacutechelle atomique des moleacutecules biologiques et bio-hybrides dans lecadre de leur inteacutegration celle-ci repreacutesentant un vrai challenge pour lrsquoavenir des nanoet nanobiotechnologies

IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

IV21 Deacuteveloppements meacutethodologiques pour la flexibiliteacute des biomoleacutecules

Les modes Statiques

Mots-cleacutes biomoleacutecules flexibiliteacute conformationnelle ajustement induit

Reacutesumeacute Cette approche novatrice deacuteveloppeacutee pendant ma thegravese permet le traitementexplicite de la flexibiliteacute des macromoleacutecules Elle autorise la prise en compte des interac-tions intermoleacuteculaires et vise agrave deacuteterminer tous les modes de deacuteformation possibles drsquounemoleacutecule Ce travail a donneacute lieu au deacuteveloppement drsquoun code Flexible dont les premiegraveresapplications sont prometteuses pour la preacutediction aveugle de la flexibiliteacute et lrsquoaide agrave lacompreacutehension des meacutecanismes moleacuteculaires

Concept et meacutethode

Lrsquoideacutee est de pouvoir explorer un nombre de conformations inaccessible avec des meacutethodestelles que la dynamique moleacuteculaire trop coucircteuse en temps [3] Dans une optique de simpli-fication les deacuteformations permanentes drsquoune moleacutecule soumise agrave une excitation ex-teacuterieure (ie une interaction) sont calculeacutees sans tenir compte des eacutetats intermeacutediaires entredeux conformations agrave lrsquoeacutequilibre En alternative aux modes normaux [4] les vibrations sponta-neacutees sont remplaceacutees par des deacuteformations induites par des excitations exteacuterieures La meacutethodedes Modes Statiques permet donc de sortir du cadre de la dynamique intramoleacuteculaire pourconsideacuterer les interactions intermoleacuteculaires

5

IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Le calcul est baseacute sur la matrice Hessienne H Ses eacuteleacutements relatifs aux constantes de forces deacute-crivant les interactions atomiques sont utiliseacutes pour simuler lrsquoexcitation systeacutematique desatomes Chaque deacuteformation reacutesultante correspondant agrave une contrainte speacutecifiquesur un site atomique donneacute est appeleacutee un mode statique Les modes statiques sontensuite stockeacutes dans une banque de donneacutees pour un usage ulteacuterieur tel que le docking

Algorithme

Afin drsquoeacuteliminer les 3 translations et les 3 rotations qui laissent la moleacutecule invariante 3 atomessont tout drsquoabord fixeacutes en translation en azimut et en longitude On obtient une matrice H detaille (3Nminus6)times(3Nminus6) N eacutetant le nombre drsquoatomes La version actuelle du code se place danslrsquoapproximation harmonique Dans ce cas lrsquoeacutenergie totale E peut srsquoeacutecrire E = E0 +Hijxixjougrave les Hij sont les eacuteleacutements de la matrice Hessienne xi les coordonneacutees Carteacutesiennes desdeacuteplacements atomiques pour une configuration agrave lrsquoeacutequilibre drsquoeacutenergie E0 Le vecteur forcegradient de lrsquoeacutenergie peut alors srsquoeacutecrire minusFi =

sumj H

primeijxj (1) La meacutethode retenue pour reacutesoudre

ce systegraveme consiste agrave consideacuterer un deacuteplacement donneacute xl reacutesultant de lrsquoapplication de la forceassocieacutee Fl (xl est associeacute agrave la contrainte de Lagrange Fl agit comme une force de reacuteactiondont la connaissance nrsquoest pas neacutecessaire dans le formalisme Lagrangien)Dans un premier temps la liegraveme ligne de H associeacutee agrave la contrainte Fl est eacutelimineacutee du systegraveme(1) ainsi que la liegraveme colonne contenant les termes en xl En nommant cette colonne B et A lereste de la matrice (3Nminus7)times(3Nminus7) il reste agrave reacutesoudre le systegraveme AX+B = 0 ougrave le vecteurX appeleacute un mode statique contient les deacuteplacements atomiques imposeacutes par la contraintePar eacutelimination successive des lignes de la matrice H lrsquoensemble des modes statiques peutecirctre deacutetermineacute Ces modes caracteacuteristiques drsquoune moleacutecule unique sont ensuite stockeacutes dansune banque de donneacutees pour un usage ulteacuterieur peuvant ecirctre combineacutes agrave volonteacute pour simulerlrsquoapplication de forces sur la moleacutecule

Reacutesultats

Cette meacutethode est impleacutementeacutee dans le code FLEXIBLE (Eur Phys J E (2009)) Nous preacute-voyons la mise en place drsquoune banque de donneacutees est accessible Les utilisateurs pourront alorsmanipuler les modes en creacuteant lrsquoexcitation de leur choix ou encore agrave lrsquoaide drsquooutils deacutevelop-peacutes au LAAS (optimisation des contraintes pincements excitation multi-sites) Certains sontdeacutetailleacutes dans mon manuscrit de thegravese (httpthesesupsups-tlsefr4941Brut_Mariepdf)

Vers les modes geacuteneacuteraliseacutes

Mots-cleacutes biomoleacutecules flexibiliteacute torsions mouvements de grande amplitude

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil compeacutetitif pour travailler sur des moleacutecules nesubissant que des deacuteformations de faibles amplitudes Les premiers reacutesultats ont prouveacute lapuissance de cette approche pour deacutecrire des meacutecanismes extrecircmement fins Cependant lesproceacutedures deviennent fastidieuses et le temps calcul prohibitif lorsqursquoil srsquoagit de suivre degrands changements conformationnels Lrsquoideacutee est drsquoabandonner les coordonneacutees carteacutesienneset de prendre en compte le fait que les biomoleacutecules reacutesultant drsquoun assemblages de briqueseacuteleacutementaires peuvent ecirctre deacutecrites par des angles de torsion et des encombrements steacuteriques

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Marie Brut - LAAS-CNRS II Enseignement et responsabiliteacutes administratives

Compeacutetences informatiques

Langages C C++ Fortran Python Matlab Perl (notions)Conception web Dreamweaver KompoZer iWeb isensCalcul Gaussian AMBER CHARMM NAB GROMACS X3DNA ENCADInfographie Molden Molekel VMD Rasmol PyMol ChimeraEnvironnements Linux Unix WindowsBureautique Microsoft Office Open Office LATEX Vi

II Enseignement et responsabiliteacutes administratives

Enseignement

NB Les heures sont donneacutees en heures eacutequivalent TD

Anneacutee universitaire 2011 - 2012

- Master Pro 2 IM2P2EP9PIMA3 Concepts geacuteneacuteraux de modeacutelisationrarr Conception Assisteacutee par Ordinateur (semestre 1 TD 1 x 6h = 6h)Introduction agrave la simulation des biomoleacutecules et au logiciel AMBER

- L1 Sciences de la Nature- EDST1BC2 Physique (semestre 1)rarr Radioactiviteacute (TD 4 x 6h = 24h)- EDST2BCM Physique et outils informatiques (semestre 2)rarr Optique et Meacutecanique des fluides (cours 2 x 14h = 28h TP 4 x 14h = 56h)

Anneacutee universitaire 2012-2013

- Master Pro 2 IM2P2EP9PIMA3 Concepts geacuteneacuteraux de modeacutelisationrarr Conception Assisteacutee par Ordinateur (semestre 1 TD 1 x 6h = 6h)

- L1 SFA Parcours Speacutecial-EDTST1DBM Physique (semestre 1)rarr Physique (TP 2 x 12h = 24h)

- L1 Sciences de la Nature- EDST1BC2 Physique (semestre 1)rarr Radioactiviteacute (TD 4 x 6h = 24h)- EDST2BCM Physique et outils informatiques (semestre 2)rarr Optique et Meacutecanique des fluides (cours 2 x 14h = 28h TP 2 x 14h = 28h)

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III Production scientifique Marie Brut - LAAS-CNRS

III Production scientifique

PublicationsRevues Internationales agrave Comiteacute de Lecture

M Brut A Estegraveve G Landa M Djafari Rouhani Mimicking DNA stretching with the StaticMode method Shear stress versus transverse pulling stress Eur Phys J E 35 75 (2012)

M Brut A Trapaidze A Estegraveve A Bancaud D Estegraveve G Landa M Djafari RouhaniBringing aptamers into technologies impact of spacer terminations Applied Phys Lett 100163702 (2012) (Seacutelection Virtual Journal of Biological Physics Research 1er mai 2012)

G Renvez A Estegraveve M Brut G M Djafari Rouhani A Dkhissi The electrostatic probea tool for the investigation of the Aβ(1-16) peptide deformations using the Static Modes PhysChem Chem Phys 13 14611 (2011)

M Brut A Estegraveve G Landa G Renvez M Djafari Rouhani Systematic characterizationof enzyme flexibility and active site stability through Static Modes Case of Escherichia ColiDihydrofolate Reductase J Phys Chem B 115 1616 (2010)

M Brut A Estegraveve G Landa G RenvezM Djafari Rouhani D Gauchard Atomic-scaledetermination of DNA conformational response to strained furanose a Static Mode approachTetrahedron 66 9123 (2010)

M Brut A Estegraveve G Landa G Renvez M Djafari Rouhani The Static Modes An alter-native approach for the treatment of macro- and bio-molecular induced-fit flexibility Eur PhysJ E 28 17 (2009) (en couverture)

A Estegraveve A Bail G Landa A Dkhissi M Brut M Djafari Rouhani J Sudor A-M GueacuteA new insight into the understanding of the collapsed form of poly(N-isopropylacrylamide) mo-lecules Chem Phys 340 12 (2007)

Confeacuterences Internationales agrave Comiteacute de Lecture

M Brut A Estegraveve G Landa M Djafari Rouhani M Vaisset D Gauchard Deformation ofthiolated nucleic acid deposited on a silicon surface a Static Mode approach Mater Sci EngB 169 23 (2010)

Valorisation de logicielDeacutepocirct de logiciel agrave lrsquoAgence pour la Protection des ProgrammesCode FleXible IDDNFR001460023000SP200500000000

IV Activiteacutes de recherche

IV1 Contexte

Au croisement des nanosciences et de la biologie les nanobiotechnologies utilisent des mo-leacutecules biologiques et bio-hybrides comme mateacuteriau et agent structurant en les inteacute-grant dans des nano-dispositifs [1] Elles se placent agrave lrsquointerface entre biologie et physiquemicrofluidique nanomicro-technologies chimie de surface deacutetection optique et eacutelectronique

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

modeacutelisation et bioinformatique Lrsquoobjectif est de manipuler controcircler voire modifier lessystegravemes complexes fournis par la nature Les proteacuteines drsquoune part sont de veacuteritables machinesmoleacuteculaires offrant des fonctions speacutecifiques sophistiqueacutees et ajustables Quant aux acidesnucleacuteiques leurs proprieacuteteacutes drsquoauto-assemblage et drsquohybridation laissent imaginer agrave lrsquoinfini denouvelles solutions pour la nanostructuration par exempleLa modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique est incontournable pour deacutecripter et preacutedireles meacutecanismes et les interactions au niveau moleacuteculaire afin de deacutepasser les limitesde lrsquoexpeacuterimentation mais aussi afin de lrsquoassister et la guider Le calcul intensif est deacutejagrave tregravesutiliseacute par la biologie structurale mais se heurte agrave des problegravemes reacutecurrents tels que la taille dessystegravemes et le traitement des liaisons faibles qui rendent les biomoleacutecules tregraves flexibles [2] Lanouvelle difficulteacute est la mise en place drsquoune modeacutelisation permettant de traiter ces biomoleacuteculeset leur inteacutegration dans des milieux inorganiquesLrsquoobjectif de mes travaux est donc le deacuteveloppement de modegraveles physiques preacute-dictifs pour les proceacutedeacutes nanobiotechnologiques En particulier je suis speacutecialiseacuteedans lrsquoeacutetude agrave lrsquoeacutechelle atomique des moleacutecules biologiques et bio-hybrides dans lecadre de leur inteacutegration celle-ci repreacutesentant un vrai challenge pour lrsquoavenir des nanoet nanobiotechnologies

IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

IV21 Deacuteveloppements meacutethodologiques pour la flexibiliteacute des biomoleacutecules

Les modes Statiques

Mots-cleacutes biomoleacutecules flexibiliteacute conformationnelle ajustement induit

Reacutesumeacute Cette approche novatrice deacuteveloppeacutee pendant ma thegravese permet le traitementexplicite de la flexibiliteacute des macromoleacutecules Elle autorise la prise en compte des interac-tions intermoleacuteculaires et vise agrave deacuteterminer tous les modes de deacuteformation possibles drsquounemoleacutecule Ce travail a donneacute lieu au deacuteveloppement drsquoun code Flexible dont les premiegraveresapplications sont prometteuses pour la preacutediction aveugle de la flexibiliteacute et lrsquoaide agrave lacompreacutehension des meacutecanismes moleacuteculaires

Concept et meacutethode

Lrsquoideacutee est de pouvoir explorer un nombre de conformations inaccessible avec des meacutethodestelles que la dynamique moleacuteculaire trop coucircteuse en temps [3] Dans une optique de simpli-fication les deacuteformations permanentes drsquoune moleacutecule soumise agrave une excitation ex-teacuterieure (ie une interaction) sont calculeacutees sans tenir compte des eacutetats intermeacutediaires entredeux conformations agrave lrsquoeacutequilibre En alternative aux modes normaux [4] les vibrations sponta-neacutees sont remplaceacutees par des deacuteformations induites par des excitations exteacuterieures La meacutethodedes Modes Statiques permet donc de sortir du cadre de la dynamique intramoleacuteculaire pourconsideacuterer les interactions intermoleacuteculaires

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Le calcul est baseacute sur la matrice Hessienne H Ses eacuteleacutements relatifs aux constantes de forces deacute-crivant les interactions atomiques sont utiliseacutes pour simuler lrsquoexcitation systeacutematique desatomes Chaque deacuteformation reacutesultante correspondant agrave une contrainte speacutecifiquesur un site atomique donneacute est appeleacutee un mode statique Les modes statiques sontensuite stockeacutes dans une banque de donneacutees pour un usage ulteacuterieur tel que le docking

Algorithme

Afin drsquoeacuteliminer les 3 translations et les 3 rotations qui laissent la moleacutecule invariante 3 atomessont tout drsquoabord fixeacutes en translation en azimut et en longitude On obtient une matrice H detaille (3Nminus6)times(3Nminus6) N eacutetant le nombre drsquoatomes La version actuelle du code se place danslrsquoapproximation harmonique Dans ce cas lrsquoeacutenergie totale E peut srsquoeacutecrire E = E0 +Hijxixjougrave les Hij sont les eacuteleacutements de la matrice Hessienne xi les coordonneacutees Carteacutesiennes desdeacuteplacements atomiques pour une configuration agrave lrsquoeacutequilibre drsquoeacutenergie E0 Le vecteur forcegradient de lrsquoeacutenergie peut alors srsquoeacutecrire minusFi =

sumj H

primeijxj (1) La meacutethode retenue pour reacutesoudre

ce systegraveme consiste agrave consideacuterer un deacuteplacement donneacute xl reacutesultant de lrsquoapplication de la forceassocieacutee Fl (xl est associeacute agrave la contrainte de Lagrange Fl agit comme une force de reacuteactiondont la connaissance nrsquoest pas neacutecessaire dans le formalisme Lagrangien)Dans un premier temps la liegraveme ligne de H associeacutee agrave la contrainte Fl est eacutelimineacutee du systegraveme(1) ainsi que la liegraveme colonne contenant les termes en xl En nommant cette colonne B et A lereste de la matrice (3Nminus7)times(3Nminus7) il reste agrave reacutesoudre le systegraveme AX+B = 0 ougrave le vecteurX appeleacute un mode statique contient les deacuteplacements atomiques imposeacutes par la contraintePar eacutelimination successive des lignes de la matrice H lrsquoensemble des modes statiques peutecirctre deacutetermineacute Ces modes caracteacuteristiques drsquoune moleacutecule unique sont ensuite stockeacutes dansune banque de donneacutees pour un usage ulteacuterieur peuvant ecirctre combineacutes agrave volonteacute pour simulerlrsquoapplication de forces sur la moleacutecule

Reacutesultats

Cette meacutethode est impleacutementeacutee dans le code FLEXIBLE (Eur Phys J E (2009)) Nous preacute-voyons la mise en place drsquoune banque de donneacutees est accessible Les utilisateurs pourront alorsmanipuler les modes en creacuteant lrsquoexcitation de leur choix ou encore agrave lrsquoaide drsquooutils deacutevelop-peacutes au LAAS (optimisation des contraintes pincements excitation multi-sites) Certains sontdeacutetailleacutes dans mon manuscrit de thegravese (httpthesesupsups-tlsefr4941Brut_Mariepdf)

Vers les modes geacuteneacuteraliseacutes

Mots-cleacutes biomoleacutecules flexibiliteacute torsions mouvements de grande amplitude

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil compeacutetitif pour travailler sur des moleacutecules nesubissant que des deacuteformations de faibles amplitudes Les premiers reacutesultats ont prouveacute lapuissance de cette approche pour deacutecrire des meacutecanismes extrecircmement fins Cependant lesproceacutedures deviennent fastidieuses et le temps calcul prohibitif lorsqursquoil srsquoagit de suivre degrands changements conformationnels Lrsquoideacutee est drsquoabandonner les coordonneacutees carteacutesienneset de prendre en compte le fait que les biomoleacutecules reacutesultant drsquoun assemblages de briqueseacuteleacutementaires peuvent ecirctre deacutecrites par des angles de torsion et des encombrements steacuteriques

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III Production scientifique Marie Brut - LAAS-CNRS

III Production scientifique

PublicationsRevues Internationales agrave Comiteacute de Lecture

M Brut A Estegraveve G Landa M Djafari Rouhani Mimicking DNA stretching with the StaticMode method Shear stress versus transverse pulling stress Eur Phys J E 35 75 (2012)

M Brut A Trapaidze A Estegraveve A Bancaud D Estegraveve G Landa M Djafari RouhaniBringing aptamers into technologies impact of spacer terminations Applied Phys Lett 100163702 (2012) (Seacutelection Virtual Journal of Biological Physics Research 1er mai 2012)

G Renvez A Estegraveve M Brut G M Djafari Rouhani A Dkhissi The electrostatic probea tool for the investigation of the Aβ(1-16) peptide deformations using the Static Modes PhysChem Chem Phys 13 14611 (2011)

M Brut A Estegraveve G Landa G Renvez M Djafari Rouhani Systematic characterizationof enzyme flexibility and active site stability through Static Modes Case of Escherichia ColiDihydrofolate Reductase J Phys Chem B 115 1616 (2010)

M Brut A Estegraveve G Landa G RenvezM Djafari Rouhani D Gauchard Atomic-scaledetermination of DNA conformational response to strained furanose a Static Mode approachTetrahedron 66 9123 (2010)

M Brut A Estegraveve G Landa G Renvez M Djafari Rouhani The Static Modes An alter-native approach for the treatment of macro- and bio-molecular induced-fit flexibility Eur PhysJ E 28 17 (2009) (en couverture)

A Estegraveve A Bail G Landa A Dkhissi M Brut M Djafari Rouhani J Sudor A-M GueacuteA new insight into the understanding of the collapsed form of poly(N-isopropylacrylamide) mo-lecules Chem Phys 340 12 (2007)

Confeacuterences Internationales agrave Comiteacute de Lecture

M Brut A Estegraveve G Landa M Djafari Rouhani M Vaisset D Gauchard Deformation ofthiolated nucleic acid deposited on a silicon surface a Static Mode approach Mater Sci EngB 169 23 (2010)

Valorisation de logicielDeacutepocirct de logiciel agrave lrsquoAgence pour la Protection des ProgrammesCode FleXible IDDNFR001460023000SP200500000000

IV Activiteacutes de recherche

IV1 Contexte

Au croisement des nanosciences et de la biologie les nanobiotechnologies utilisent des mo-leacutecules biologiques et bio-hybrides comme mateacuteriau et agent structurant en les inteacute-grant dans des nano-dispositifs [1] Elles se placent agrave lrsquointerface entre biologie et physiquemicrofluidique nanomicro-technologies chimie de surface deacutetection optique et eacutelectronique

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

modeacutelisation et bioinformatique Lrsquoobjectif est de manipuler controcircler voire modifier lessystegravemes complexes fournis par la nature Les proteacuteines drsquoune part sont de veacuteritables machinesmoleacuteculaires offrant des fonctions speacutecifiques sophistiqueacutees et ajustables Quant aux acidesnucleacuteiques leurs proprieacuteteacutes drsquoauto-assemblage et drsquohybridation laissent imaginer agrave lrsquoinfini denouvelles solutions pour la nanostructuration par exempleLa modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique est incontournable pour deacutecripter et preacutedireles meacutecanismes et les interactions au niveau moleacuteculaire afin de deacutepasser les limitesde lrsquoexpeacuterimentation mais aussi afin de lrsquoassister et la guider Le calcul intensif est deacutejagrave tregravesutiliseacute par la biologie structurale mais se heurte agrave des problegravemes reacutecurrents tels que la taille dessystegravemes et le traitement des liaisons faibles qui rendent les biomoleacutecules tregraves flexibles [2] Lanouvelle difficulteacute est la mise en place drsquoune modeacutelisation permettant de traiter ces biomoleacuteculeset leur inteacutegration dans des milieux inorganiquesLrsquoobjectif de mes travaux est donc le deacuteveloppement de modegraveles physiques preacute-dictifs pour les proceacutedeacutes nanobiotechnologiques En particulier je suis speacutecialiseacuteedans lrsquoeacutetude agrave lrsquoeacutechelle atomique des moleacutecules biologiques et bio-hybrides dans lecadre de leur inteacutegration celle-ci repreacutesentant un vrai challenge pour lrsquoavenir des nanoet nanobiotechnologies

IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

IV21 Deacuteveloppements meacutethodologiques pour la flexibiliteacute des biomoleacutecules

Les modes Statiques

Mots-cleacutes biomoleacutecules flexibiliteacute conformationnelle ajustement induit

Reacutesumeacute Cette approche novatrice deacuteveloppeacutee pendant ma thegravese permet le traitementexplicite de la flexibiliteacute des macromoleacutecules Elle autorise la prise en compte des interac-tions intermoleacuteculaires et vise agrave deacuteterminer tous les modes de deacuteformation possibles drsquounemoleacutecule Ce travail a donneacute lieu au deacuteveloppement drsquoun code Flexible dont les premiegraveresapplications sont prometteuses pour la preacutediction aveugle de la flexibiliteacute et lrsquoaide agrave lacompreacutehension des meacutecanismes moleacuteculaires

Concept et meacutethode

Lrsquoideacutee est de pouvoir explorer un nombre de conformations inaccessible avec des meacutethodestelles que la dynamique moleacuteculaire trop coucircteuse en temps [3] Dans une optique de simpli-fication les deacuteformations permanentes drsquoune moleacutecule soumise agrave une excitation ex-teacuterieure (ie une interaction) sont calculeacutees sans tenir compte des eacutetats intermeacutediaires entredeux conformations agrave lrsquoeacutequilibre En alternative aux modes normaux [4] les vibrations sponta-neacutees sont remplaceacutees par des deacuteformations induites par des excitations exteacuterieures La meacutethodedes Modes Statiques permet donc de sortir du cadre de la dynamique intramoleacuteculaire pourconsideacuterer les interactions intermoleacuteculaires

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Le calcul est baseacute sur la matrice Hessienne H Ses eacuteleacutements relatifs aux constantes de forces deacute-crivant les interactions atomiques sont utiliseacutes pour simuler lrsquoexcitation systeacutematique desatomes Chaque deacuteformation reacutesultante correspondant agrave une contrainte speacutecifiquesur un site atomique donneacute est appeleacutee un mode statique Les modes statiques sontensuite stockeacutes dans une banque de donneacutees pour un usage ulteacuterieur tel que le docking

Algorithme

Afin drsquoeacuteliminer les 3 translations et les 3 rotations qui laissent la moleacutecule invariante 3 atomessont tout drsquoabord fixeacutes en translation en azimut et en longitude On obtient une matrice H detaille (3Nminus6)times(3Nminus6) N eacutetant le nombre drsquoatomes La version actuelle du code se place danslrsquoapproximation harmonique Dans ce cas lrsquoeacutenergie totale E peut srsquoeacutecrire E = E0 +Hijxixjougrave les Hij sont les eacuteleacutements de la matrice Hessienne xi les coordonneacutees Carteacutesiennes desdeacuteplacements atomiques pour une configuration agrave lrsquoeacutequilibre drsquoeacutenergie E0 Le vecteur forcegradient de lrsquoeacutenergie peut alors srsquoeacutecrire minusFi =

sumj H

primeijxj (1) La meacutethode retenue pour reacutesoudre

ce systegraveme consiste agrave consideacuterer un deacuteplacement donneacute xl reacutesultant de lrsquoapplication de la forceassocieacutee Fl (xl est associeacute agrave la contrainte de Lagrange Fl agit comme une force de reacuteactiondont la connaissance nrsquoest pas neacutecessaire dans le formalisme Lagrangien)Dans un premier temps la liegraveme ligne de H associeacutee agrave la contrainte Fl est eacutelimineacutee du systegraveme(1) ainsi que la liegraveme colonne contenant les termes en xl En nommant cette colonne B et A lereste de la matrice (3Nminus7)times(3Nminus7) il reste agrave reacutesoudre le systegraveme AX+B = 0 ougrave le vecteurX appeleacute un mode statique contient les deacuteplacements atomiques imposeacutes par la contraintePar eacutelimination successive des lignes de la matrice H lrsquoensemble des modes statiques peutecirctre deacutetermineacute Ces modes caracteacuteristiques drsquoune moleacutecule unique sont ensuite stockeacutes dansune banque de donneacutees pour un usage ulteacuterieur peuvant ecirctre combineacutes agrave volonteacute pour simulerlrsquoapplication de forces sur la moleacutecule

Reacutesultats

Cette meacutethode est impleacutementeacutee dans le code FLEXIBLE (Eur Phys J E (2009)) Nous preacute-voyons la mise en place drsquoune banque de donneacutees est accessible Les utilisateurs pourront alorsmanipuler les modes en creacuteant lrsquoexcitation de leur choix ou encore agrave lrsquoaide drsquooutils deacutevelop-peacutes au LAAS (optimisation des contraintes pincements excitation multi-sites) Certains sontdeacutetailleacutes dans mon manuscrit de thegravese (httpthesesupsups-tlsefr4941Brut_Mariepdf)

Vers les modes geacuteneacuteraliseacutes

Mots-cleacutes biomoleacutecules flexibiliteacute torsions mouvements de grande amplitude

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil compeacutetitif pour travailler sur des moleacutecules nesubissant que des deacuteformations de faibles amplitudes Les premiers reacutesultats ont prouveacute lapuissance de cette approche pour deacutecrire des meacutecanismes extrecircmement fins Cependant lesproceacutedures deviennent fastidieuses et le temps calcul prohibitif lorsqursquoil srsquoagit de suivre degrands changements conformationnels Lrsquoideacutee est drsquoabandonner les coordonneacutees carteacutesienneset de prendre en compte le fait que les biomoleacutecules reacutesultant drsquoun assemblages de briqueseacuteleacutementaires peuvent ecirctre deacutecrites par des angles de torsion et des encombrements steacuteriques

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

modeacutelisation et bioinformatique Lrsquoobjectif est de manipuler controcircler voire modifier lessystegravemes complexes fournis par la nature Les proteacuteines drsquoune part sont de veacuteritables machinesmoleacuteculaires offrant des fonctions speacutecifiques sophistiqueacutees et ajustables Quant aux acidesnucleacuteiques leurs proprieacuteteacutes drsquoauto-assemblage et drsquohybridation laissent imaginer agrave lrsquoinfini denouvelles solutions pour la nanostructuration par exempleLa modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique est incontournable pour deacutecripter et preacutedireles meacutecanismes et les interactions au niveau moleacuteculaire afin de deacutepasser les limitesde lrsquoexpeacuterimentation mais aussi afin de lrsquoassister et la guider Le calcul intensif est deacutejagrave tregravesutiliseacute par la biologie structurale mais se heurte agrave des problegravemes reacutecurrents tels que la taille dessystegravemes et le traitement des liaisons faibles qui rendent les biomoleacutecules tregraves flexibles [2] Lanouvelle difficulteacute est la mise en place drsquoune modeacutelisation permettant de traiter ces biomoleacuteculeset leur inteacutegration dans des milieux inorganiquesLrsquoobjectif de mes travaux est donc le deacuteveloppement de modegraveles physiques preacute-dictifs pour les proceacutedeacutes nanobiotechnologiques En particulier je suis speacutecialiseacuteedans lrsquoeacutetude agrave lrsquoeacutechelle atomique des moleacutecules biologiques et bio-hybrides dans lecadre de leur inteacutegration celle-ci repreacutesentant un vrai challenge pour lrsquoavenir des nanoet nanobiotechnologies

IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

IV21 Deacuteveloppements meacutethodologiques pour la flexibiliteacute des biomoleacutecules

Les modes Statiques

Mots-cleacutes biomoleacutecules flexibiliteacute conformationnelle ajustement induit

Reacutesumeacute Cette approche novatrice deacuteveloppeacutee pendant ma thegravese permet le traitementexplicite de la flexibiliteacute des macromoleacutecules Elle autorise la prise en compte des interac-tions intermoleacuteculaires et vise agrave deacuteterminer tous les modes de deacuteformation possibles drsquounemoleacutecule Ce travail a donneacute lieu au deacuteveloppement drsquoun code Flexible dont les premiegraveresapplications sont prometteuses pour la preacutediction aveugle de la flexibiliteacute et lrsquoaide agrave lacompreacutehension des meacutecanismes moleacuteculaires

Concept et meacutethode

Lrsquoideacutee est de pouvoir explorer un nombre de conformations inaccessible avec des meacutethodestelles que la dynamique moleacuteculaire trop coucircteuse en temps [3] Dans une optique de simpli-fication les deacuteformations permanentes drsquoune moleacutecule soumise agrave une excitation ex-teacuterieure (ie une interaction) sont calculeacutees sans tenir compte des eacutetats intermeacutediaires entredeux conformations agrave lrsquoeacutequilibre En alternative aux modes normaux [4] les vibrations sponta-neacutees sont remplaceacutees par des deacuteformations induites par des excitations exteacuterieures La meacutethodedes Modes Statiques permet donc de sortir du cadre de la dynamique intramoleacuteculaire pourconsideacuterer les interactions intermoleacuteculaires

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Le calcul est baseacute sur la matrice Hessienne H Ses eacuteleacutements relatifs aux constantes de forces deacute-crivant les interactions atomiques sont utiliseacutes pour simuler lrsquoexcitation systeacutematique desatomes Chaque deacuteformation reacutesultante correspondant agrave une contrainte speacutecifiquesur un site atomique donneacute est appeleacutee un mode statique Les modes statiques sontensuite stockeacutes dans une banque de donneacutees pour un usage ulteacuterieur tel que le docking

Algorithme

Afin drsquoeacuteliminer les 3 translations et les 3 rotations qui laissent la moleacutecule invariante 3 atomessont tout drsquoabord fixeacutes en translation en azimut et en longitude On obtient une matrice H detaille (3Nminus6)times(3Nminus6) N eacutetant le nombre drsquoatomes La version actuelle du code se place danslrsquoapproximation harmonique Dans ce cas lrsquoeacutenergie totale E peut srsquoeacutecrire E = E0 +Hijxixjougrave les Hij sont les eacuteleacutements de la matrice Hessienne xi les coordonneacutees Carteacutesiennes desdeacuteplacements atomiques pour une configuration agrave lrsquoeacutequilibre drsquoeacutenergie E0 Le vecteur forcegradient de lrsquoeacutenergie peut alors srsquoeacutecrire minusFi =

sumj H

primeijxj (1) La meacutethode retenue pour reacutesoudre

ce systegraveme consiste agrave consideacuterer un deacuteplacement donneacute xl reacutesultant de lrsquoapplication de la forceassocieacutee Fl (xl est associeacute agrave la contrainte de Lagrange Fl agit comme une force de reacuteactiondont la connaissance nrsquoest pas neacutecessaire dans le formalisme Lagrangien)Dans un premier temps la liegraveme ligne de H associeacutee agrave la contrainte Fl est eacutelimineacutee du systegraveme(1) ainsi que la liegraveme colonne contenant les termes en xl En nommant cette colonne B et A lereste de la matrice (3Nminus7)times(3Nminus7) il reste agrave reacutesoudre le systegraveme AX+B = 0 ougrave le vecteurX appeleacute un mode statique contient les deacuteplacements atomiques imposeacutes par la contraintePar eacutelimination successive des lignes de la matrice H lrsquoensemble des modes statiques peutecirctre deacutetermineacute Ces modes caracteacuteristiques drsquoune moleacutecule unique sont ensuite stockeacutes dansune banque de donneacutees pour un usage ulteacuterieur peuvant ecirctre combineacutes agrave volonteacute pour simulerlrsquoapplication de forces sur la moleacutecule

Reacutesultats

Cette meacutethode est impleacutementeacutee dans le code FLEXIBLE (Eur Phys J E (2009)) Nous preacute-voyons la mise en place drsquoune banque de donneacutees est accessible Les utilisateurs pourront alorsmanipuler les modes en creacuteant lrsquoexcitation de leur choix ou encore agrave lrsquoaide drsquooutils deacutevelop-peacutes au LAAS (optimisation des contraintes pincements excitation multi-sites) Certains sontdeacutetailleacutes dans mon manuscrit de thegravese (httpthesesupsups-tlsefr4941Brut_Mariepdf)

Vers les modes geacuteneacuteraliseacutes

Mots-cleacutes biomoleacutecules flexibiliteacute torsions mouvements de grande amplitude

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil compeacutetitif pour travailler sur des moleacutecules nesubissant que des deacuteformations de faibles amplitudes Les premiers reacutesultats ont prouveacute lapuissance de cette approche pour deacutecrire des meacutecanismes extrecircmement fins Cependant lesproceacutedures deviennent fastidieuses et le temps calcul prohibitif lorsqursquoil srsquoagit de suivre degrands changements conformationnels Lrsquoideacutee est drsquoabandonner les coordonneacutees carteacutesienneset de prendre en compte le fait que les biomoleacutecules reacutesultant drsquoun assemblages de briqueseacuteleacutementaires peuvent ecirctre deacutecrites par des angles de torsion et des encombrements steacuteriques

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Le calcul est baseacute sur la matrice Hessienne H Ses eacuteleacutements relatifs aux constantes de forces deacute-crivant les interactions atomiques sont utiliseacutes pour simuler lrsquoexcitation systeacutematique desatomes Chaque deacuteformation reacutesultante correspondant agrave une contrainte speacutecifiquesur un site atomique donneacute est appeleacutee un mode statique Les modes statiques sontensuite stockeacutes dans une banque de donneacutees pour un usage ulteacuterieur tel que le docking

Algorithme

Afin drsquoeacuteliminer les 3 translations et les 3 rotations qui laissent la moleacutecule invariante 3 atomessont tout drsquoabord fixeacutes en translation en azimut et en longitude On obtient une matrice H detaille (3Nminus6)times(3Nminus6) N eacutetant le nombre drsquoatomes La version actuelle du code se place danslrsquoapproximation harmonique Dans ce cas lrsquoeacutenergie totale E peut srsquoeacutecrire E = E0 +Hijxixjougrave les Hij sont les eacuteleacutements de la matrice Hessienne xi les coordonneacutees Carteacutesiennes desdeacuteplacements atomiques pour une configuration agrave lrsquoeacutequilibre drsquoeacutenergie E0 Le vecteur forcegradient de lrsquoeacutenergie peut alors srsquoeacutecrire minusFi =

sumj H

primeijxj (1) La meacutethode retenue pour reacutesoudre

ce systegraveme consiste agrave consideacuterer un deacuteplacement donneacute xl reacutesultant de lrsquoapplication de la forceassocieacutee Fl (xl est associeacute agrave la contrainte de Lagrange Fl agit comme une force de reacuteactiondont la connaissance nrsquoest pas neacutecessaire dans le formalisme Lagrangien)Dans un premier temps la liegraveme ligne de H associeacutee agrave la contrainte Fl est eacutelimineacutee du systegraveme(1) ainsi que la liegraveme colonne contenant les termes en xl En nommant cette colonne B et A lereste de la matrice (3Nminus7)times(3Nminus7) il reste agrave reacutesoudre le systegraveme AX+B = 0 ougrave le vecteurX appeleacute un mode statique contient les deacuteplacements atomiques imposeacutes par la contraintePar eacutelimination successive des lignes de la matrice H lrsquoensemble des modes statiques peutecirctre deacutetermineacute Ces modes caracteacuteristiques drsquoune moleacutecule unique sont ensuite stockeacutes dansune banque de donneacutees pour un usage ulteacuterieur peuvant ecirctre combineacutes agrave volonteacute pour simulerlrsquoapplication de forces sur la moleacutecule

Reacutesultats

Cette meacutethode est impleacutementeacutee dans le code FLEXIBLE (Eur Phys J E (2009)) Nous preacute-voyons la mise en place drsquoune banque de donneacutees est accessible Les utilisateurs pourront alorsmanipuler les modes en creacuteant lrsquoexcitation de leur choix ou encore agrave lrsquoaide drsquooutils deacutevelop-peacutes au LAAS (optimisation des contraintes pincements excitation multi-sites) Certains sontdeacutetailleacutes dans mon manuscrit de thegravese (httpthesesupsups-tlsefr4941Brut_Mariepdf)

Vers les modes geacuteneacuteraliseacutes

Mots-cleacutes biomoleacutecules flexibiliteacute torsions mouvements de grande amplitude

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil compeacutetitif pour travailler sur des moleacutecules nesubissant que des deacuteformations de faibles amplitudes Les premiers reacutesultats ont prouveacute lapuissance de cette approche pour deacutecrire des meacutecanismes extrecircmement fins Cependant lesproceacutedures deviennent fastidieuses et le temps calcul prohibitif lorsqursquoil srsquoagit de suivre degrands changements conformationnels Lrsquoideacutee est drsquoabandonner les coordonneacutees carteacutesienneset de prendre en compte le fait que les biomoleacutecules reacutesultant drsquoun assemblages de briqueseacuteleacutementaires peuvent ecirctre deacutecrites par des angles de torsion et des encombrements steacuteriques

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

Concept et meacutethode

Les Modes Statiques reposent sur un modegravele tout-atome en coordonneacutees carteacutesiennes dontnous pouvons calculer lrsquoeacutenergie totale agrave lrsquoaide de tout logiciel de calcul classique (AMBER)ou quantique (Gaussian) selon la taille du systegraveme et la preacutecision voulue En revanche montravail de post-doctorat srsquoest baseacute sur un modegravele eacutenergeacutetique deacutecrit dans lrsquoespace destorsions pouvant ecirctre de type tout-atome ou coarse-grained (deacuteveloppeacute par le Profes-seur M Levitt (ENCAD [5])) Lrsquoambition est toujours de creacuteer des deacuteformations en reacuteponse agravelrsquoapplication de forces locales mais lrsquousage des torsions doit permettre de geacuteneacuterer unepropagation suffisante pour acceacuteder aux grands mouvements

Algorithmes

Deux algorithmes sont eacutecrits 1) Le premier fait directement suite aux Modes Statiques mais nous travaillons deacutesormais agravelrsquoaide de coordonneacutees geacuteneacuteraliseacutees qi (ici les torsions) et de forces geacuteneraliseacutees fl calculeacutees agravepartir drsquoune force imposeacutee en coordonneacutees carteacutesiennes F

fl(q) =sumj

Fjpartxjpartql

La force est ainsi propageacutee gracircce agrave la matrice Jacobienne J dont les eacuteleacutements sont donneacutes parJij =

partxi

partqj Un processus de minimisation (par steepest-descent et gradients conjugueacutes) est utiliseacute

pour reacutesoudre le systegraveme fl(q) = 0 et atteindre un nouvel eacutequilibre

2) Le second algorithme fait intervenir une contrainte de distance introduite comme une per-turbation de lrsquoeacutenergie quadratique U(q) = 12

sumij Hijqiqj si une contrainte est ajouteacutee pour

forcer une distance dAB entre 2 atomes A et B agrave devenir une distance dtAB lrsquoeacutenergie potentielledevient alors

U(q) = 12sumij

Hijqiqj + k(dAB minus dtAB)2

Comme dans le premier cas une minimisation est utiliseacutee pour reacutesoudre le systegraveme partU(q)partqi

=sumj Hijqj + 2k(dAB minus dtAB)

partdAB

partqi= 0 et atteindre un nouvel eacutequilibre tel que dAB = dtAB

Reacutesultats

Les deux algorithmes sont effectifs et valideacutes Pour le moment ils sont principalement appliqueacutesau cas de moteurs moleacuteculaires dont les mouvements fonctionnels peuvent atteignent plusieursdizaines drsquoAnstroumlms ce qui prouve lrsquoefficaciteacute de cette approche par ailleurs tregraves rapide

Les acides nucleacuteiques pour les technologies bio-hybrides

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Acides nucleacuteiques contraints

Mots-cleacutes ADN modifieacute stabiliteacute flexibiliteacute des sucres relation sucrebackbone

Reacutesumeacute La meacutethode des Modes Statiques a eacuteteacute appliqueacutee agrave lrsquoeacutetude des effets des D-CNAssur la stabiliteacute de duplex drsquoacides nucleacuteiques Ce travail a permis de corroborer les reacutesultatsexpeacuterimentaux concernant le gain de stabiliteacute et de confirmer lrsquohypothegravese de rigidification dusucre lieacutee agrave la contrainte Cette eacutetude a non seulement fourni une validation de la meacutethodepar comparaison agrave lrsquoexpeacuterience mais a eacutegalement prouveacute ses capaciteacutes de preacutediction pour laconception de moleacutecules

Contexte

Les dinucleacuteotides contraints (D-CNAs) sont preacuteorganiseacutes pour srsquoinseacuterer dans des duplexstandards drsquoADN ou drsquoARN et leur apporter un gain de stabiliteacute Lrsquoexpeacuterience a montreacuteqursquoils augmentent la stabiliteacute de faccedilon plus nette dans un duplex drsquoADN (forme B) que dansun heacuteteacuteroduplex drsquoADNARN (forme A)[6] La meacutethode des Modes Statiques a eacuteteacute appliqueacuteeagrave ces deux systegravemes contraints et non contraints (Tetrahedron (2010))

Reacutesultats

Ce travail a permis de corroborer les reacutesultats expeacuterimentaux concernant le gain de stabiliteacuteUne proceacutedure systeacutematique drsquoexcitation multi-sites a montreacute que dans les deux cas 75des liaisons hydrogegravene entre paires de bases eacutetaient plus difficiles agrave casser et ce en moindreproportion dans le cas ADNARN

Nous avons eacutegalement montreacute que le changement de phase est induit par un reacutearrangementlocal du backbone impossible dans les D-CNAs Le sucre est rigidifieacute dans sa conformationsud incompatible avec un duplex de forme A et explique les difficulteacutes agrave obtenir un duplexADNARN stable Cette eacutetude est un premier succegraves preacutedictif les modes statiques au-raient pu indiquer ougrave modifier chimiquement le backbone pour rigidifier le sucre

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

Monobrin drsquoADN thioleacute

Mots-cleacutes ADN thioleacute flexibiliteacute Modes Statiques eacutetirement de lrsquoADN

Reacutesumeacute Les Modes Statiques ont permis drsquoeacutevaluer les deacuteformation drsquoun brin drsquoADN greffeacutesur une surface modegravele de silicium Ce travail a fourni des informations essentielles sur lapropagation de la deacuteformation le long du squelette sucre-phosphate et sur son absorptionpar les sucres Le linker ne participe pas agrave lrsquoaccommodation de lrsquoADN sur la surface

ContexteLors de lrsquointeacutegration de lrsquoADN dans les nanosystegravemes lrsquoeacutetape de lrsquoimmobilisation est particu-liegraverement importante devant conserver les proprieacuteteacutes de lrsquoADN Pourtant le greffage drsquoADNsur substrat ne fait pas encore lrsquoobjet drsquoeacutetudes theacuteoriques approfondies Nous avons simuleacute lecas drsquoun brin drsquoADN thioleacute (3-C6-thiol-dT4) et eacutetudieacute ses deacuteformations dues aux contactsavec une surface modegravele de silicium Si(100) (Mat Sci Eng B (2009)) Lrsquoatome S est gardeacutefixe tandis que des forces sont appliqueacutees sur les groupements phosphate de lrsquoADN afin drsquoobte-nir une eacutelongation du brin coheacuterente avec les paramegravetres de la surface (384

radicm+ n) Les bases

doivent rester libres en vue drsquoactiviteacute de deacutetection

Reacutesultats Le calcul a deacutemontreacute que la deacuteformation se propage depuis les groupements phos-phates exciteacutes le long du backbone mais nrsquoatteind pas les bases Elle est absorbeacutee parles sucres flexibles dont on peut observer des changements de phase Par ailleurs le linker (une chaicircne alkyle de 6 atomes de carbone) ne se deacuteforme pas Cereacutesultat a reacutecemment eacuteteacute corroboreacute par des travaux expeacuterimentaux Ces premiersreacutesultats meacuteritent drsquoecirctre mis en perspective par rapport aux proprieacuteteacutes de flexibiliteacute meacutesosco-piques de lrsquoADN

ADN eacutetireacute dans un nanopore

Mots-cleacutes eacutetirement de lrsquoADN alpha-heacutemolysine

Reacutesumeacute Divers travaux expeacuterimentaux cherchent agrave eacuteluci-der les meacutecanismes de translocation de lrsquoADN au traversdrsquoun nanopore afin de pouvoir isoler et seacutequencer un simple-brin Les modes statiques sont utiliseacutes afin de recreacuteer les forcesexistantes lors du passage de lrsquoADN dans le pore afin de com-prendre comment des contraintes locales permettent delrsquoeacutetirer et le deacutegraffer Nos reacutesultats montrent que les forcesles plus favorables sont des forces appliqueacutees dans le plan desbases et non des forces de cisaillement Ils montrent eacutegale-ment que les deacuteformations geacuteneacutereacutees se propagent le long dubackbonne et sont absorbeacutees par les sucres qui accommodentla contrainte mais nrsquoatteignent pas les bases pour les inten-siteacutes appliqueacutes ce qui peut ecirctre approfondi pour caracteacuteriserdes proprieacuteteacutes plus macroscopiques de lrsquoADN

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Les proteacuteines comme machines moleacuteculaires

Proteacutease du VIH-1

Mots-cleacutes enzyme allosteacuterique mouvement de boucles effet du ligand

Reacutesumeacute Lrsquointeacuterecirct pharmaceutique de la proteacutease du VIH-1 a permis de recueillir denombreuses donneacutees structurales et fonctionnelles auxquelles nous avons pu confronter nosreacutesultats Ce premier exemple macromoleacuteculaire a permis de valider la coheacuterence de lrsquoap-proche par modes statiques Gacircce agrave un calcul principal nous avons retrouveacute un nombreimportant de proprieacuteteacutes identifieacutees au cours de ces 20 derniegraveres anneacutees par lrsquoexpeacuterimentationou le calcul La simulation de lrsquoarrimage drsquoun ligand a par ailleurs confirmeacute la compatibiliteacuteet lrsquoefficaciteacute de la meacutethode pour une approche de docking

ContexteLes proprieacuteteacutes structurales et enzymatiques de la proteacutease du VIH-1sont bien connues ce quien a fait un parfait exemple de validation de lrsquoapproche des Modes Statiques sur proteacuteinesEn particulier elle preacutesente un site catalytique enfoui accessible gracircce agrave lrsquoouverture de deuxboucles Nous nous sommes inteacuteresseacutes au meacutecanisme drsquoouverturefermeture de la proteacuteaseainsi qursquoagrave la stabiliteacute de son site actif

Reacutesultats Nos reacutesultats ont permis de cartographier les reacutesidus impliqueacutes dans les mouve-ments fonctionnels et la stabiliteacute du site actif Ce premier cas macromoleacuteculaire a permisde valider la coheacuterence et la puissance de lrsquoapproche par modes statiques En effet gracircce agraveun calcul principal nous avons retrouveacute la plupart des proprieacuteteacutes identifieacutees au cours de ces 20derniegraveres anneacutees par lrsquoexpeacuterimentation ou le calcul (communication par domaines allosteacuterie)Nous avons par ailleurs apporteacute des informations au niveau atomique sur ces meacutecanismes La simulation de lrsquoarrimage drsquoun ligand a par ailleurs confirmeacute la compatibiliteacuteet lrsquoefficaciteacute de la meacutethode pour une approche de docking (figures de)

(a) bande b (b) conformation fermeacutee (c) conformation ouverte

Reacuteponse de lrsquoouverture des boucles agrave lrsquoexcitation systeacutematique de tous les couples drsquoatomes de la proteacutease enconformation fermeacutee (b) et ouverte (c) La figure (a) correspond agrave la bande b de la figure (b) montrant lrsquoactiviteacutedu levier (en rouge) Il apparaicirct sur la figure (c) qursquoun grand nombre de reacutesidus (de lrsquointerface inter-monomegraveres)ne sont plus actifs en conformation fermeacutee

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

(a) Position du ligand (b) Fermeture induite des boucles

Simulation de lrsquoarriveacutee drsquoun ligand par application de forces drsquointeraction sur 4 sites de la proteacutease en confor-mation ouverte (en vert sur la figure (b) Le reacutesultat est la fermeture des boucles (en jaune sur la figure (b))

Dihydrofolate reacuteductase

Mots-cleacutes enzyme mouvement de boucles position des ligands mutations Modes Sta-tiques optimisation sous contrainte effet du ligand

Reacutesumeacute La meacutethode des Modes Statiques a eacuteteacute appliqueacutee aux mouvements de bouclesde la DHFR Les reacutesultats indiquent que les mouvements du backbone sont neacutecessairesagrave la communication entre domaines qui dirige les mouvements de boucles Nos calculs onteacutegalement montreacute qursquoen preacutesence du folate lrsquoensemble de la structure se rigidifie Des liaisonsintra et intermoleacuteculaires se forment stabilisant le complexe et favorisant la catalyse Lereacutesidu Ile14 en particulier permet drsquoajuster la position du folate pour effectuer le transfertde proton Des calculs avec I14A et I14V ont confirmeacute lrsquoimplication de sa chaicircne lateacuterale

Contexte

La dihydrofolate reacuteductase catalyse la reacuteduction du dihydrofolate en teacutetrahydrofolate neacutecessairedans la production de bases nucleacuteiques Son site actif est enfoui au coeur de 3 boucles Laboucle Met20 adopte 2 conformations selon la preacutesence des ligands permettant leurarrimage la catalyse (transfert hydride et protonation) et le relacircchement du produit Les liaisonshydrogegravene que Met20 eacutetablit avec son environnement varie selon sa conformation

Moteurs moleacuteculaires agrave ATP

Mots-cleacutes enzyme membranaire changements conformationnels effet du ligand ATP

Reacutesumeacute Les moteurs proteacuteiques agrave ATP que jrsquoai eacutetudieacutes durant mon seacutejour post-doctoralhydrolysent les moleacutecules drsquoadeacutenosine-triphosphate (ATP) et convertissent cette eacutenergie enchangements conformationnels complexes permettant le fonctionnement du moteur Jecherche agrave comprendre et agrave reproduire lese meacutecanismes de ces machines moleacuteculaires et enparticulier agrave eacutevaluer le rocircle de lrsquoATP dans les changements de conformations (Ca2+-ATPasefig A Myosine fig B Chaperonine Mm-Cpn fig C)

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Reacutesultats

Les Modes Statiques ont eacuteteacute utiliseacutes pour maximiserlrsquoouverturefermeture des liaisons H entre les bouclesLes reacutesultats montrent lrsquoexistence drsquoun reacuteseau tregraveslocal permettant la propagation du mouvementcorroborant la theacuteorie localized promoting motion Le reacutesidu Ile14 permet drsquoajuster la position dufolate permettant la catalyse Sa mutation par unealanine et une valine a confirmeacute le rocircle de sa chaicircnelateacuterale (J Phys Chem B (2011))

Contexte

Les ATPases sont de veacuteritables moteurs moleacuteculaires Leur meacutecanique est encore peu connuemais lrsquoATP est consideacutereacute comme le carburant de ces moteurs les activant lors de sa liaisonJe leur ai appliqueacute le nouveau modegravele (preacutesenteacute en IV21) permettant de simuler les effetsdrsquoajustements induits dans lrsquoespace des torsions et permettant drsquoatteindre les ampli-tudes neacutecessaires pour deacutecrire les mouvements des ATPases Lrsquoideacutee est drsquoappliquer une forcecarteacutesienne transformeacutee en force geacuteneacuteraliseacutee ou encore drsquointeacutegrer une contrainte surune distance comme une perturbation de lrsquoeacutenergie totale

Reacutesultats

Un excellent accord avec la conformation active est obtenu en appliquant des forceslocales au niveau des sites de liaison de lrsquoATP Il est remarquable que chaque mouvementde domaine vers sa position cible entraicircne une diminution du RMSD des autres domaines Dansle cas de la Ca2+-ATPase le mouvement du domaine cytoplasmique en direction de lrsquoATP suffitagrave replacer lrsquoensemble de la proteacuteine dans sa conformation active (structure E1 vers E2) Dansle cas de la Myosine II des mouvements extrecircmement locaux entraicircnent par amplification lemouvement du levier sur plus de 11Aring Au-delagrave de ces excellents reacutesultats cette meacutethode prouveqursquoun modegravele de torsions et de forces geacuteneacuteraliseacutees est particuliegraverement adapteacute agrave la modeacutelisationdes mouvements de grande amplitude des biomoleacutecules

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Marie Brut - LAAS-CNRS REacuteFEacuteRENCES

Reacutefeacuterences

[1] RJ Koopmans A Aggeli Curr Op Microbiol13 327-334 (2010)

[2] KA Carlson Curr Opin Chem Biol 6 447-452(2002)

[3] M Karplus MA McCammon Nature StructBiol 9 646-652 (2002)

[4] J Ma Structure 13 373-380 (2005)

[5] M Levitt C Sander P Stern J Mol Bio 181423-447 (1985)

[6] C Dupouy N Icheacute-Tarrat M-P Durrieu FRodriguez J-M Escudier A Vigroux AngewChem 118 3705-3709 (2006)

IV3 Activiteacutes et projets en cours

Contexte et Motivations

Maicirctriser la conception de dispositifs bio-hybrides couplant les systegravemes complexes fournispar la nature aux mateacuteriaux plus traditionnels des technologies neacutecessite une compreacutehensionfine des interactions tisseacutees entredans les biomoleacutecules et entre les biomoleacutecules etleur environnement La modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique est incontournable pourdeacutecripter et preacutedire ces meacutecanismes drsquoune complexiteacute sans preacuteceacutedent

Concernant les technologies classiques la modeacutelisation de processus complexes est bien eacutetablie une strateacutegie multi-eacutechelle associe du calcul ab initio pour comprendre la chimie des interactionseacuteleacutementaires du Monte Carlo cineacutetique pour simuler la croissance de nano-objets agrave lrsquoeacutechellemeacutesoscopique et enfin des techniques continues pour simuler les technologies drsquoeacutelaboration auniveau des reacuteacteurs de croissance Dans la perspective de lrsquointeacutegration de biomoleacuteculesdans les proceacutedeacutes ces strateacutegies doivent ecirctre eacutetendues agrave de nouveaux niveaux demodeacutelisation Crsquoest aujourdrsquohui le verrou le plus fondamental et compliqueacute agrave lever

Dans le strict domaine de la preacutediction des interactions en biologie ie le docking la principaledifficulteacute est lieacutee agrave la tregraves grande taille des systegravemes et au traitement des liaisonsfaibles qui font des biomoleacutecules des eacutedifices tregraves flexibles Deacuteterminer et introduirecette souplesse conformationnelle au moins partiellement dans un algorithme de docking esttoujours aussi probleacutematique Le nouvel obstacle est le traitement de leur interactionavec un environnement non biologique tregraves enclin agrave les modifier voire les deacutenaturer

Mes activiteacutes au sein du LAAS-CNRS reposent sur le deacuteveloppement drsquooutils innovantsdeacutedieacutes aux moleacutecules biologiques et bio-hybrides et pouvant accompagner les pro-ceacutedeacutes du laboratoire notamment les technologies ADN Jrsquoy poursuis les deacuteveloppe-ments de la meacutethode des Modes Statiques Lrsquoideacutee est de lrsquoutiliser directement afin drsquoexplorerles proprieacuteteacutes intrinsegraveques des moleacutecules en jeu mais aussi de lrsquoadapter dans une proceacute-dure de docking pour laquelle elle a eacuteteacute deacuteveloppeacutee A terme lrsquoobjectif est de deacutevelopper unebatterie drsquooutils permettant une veacuteritable ingeacutenierie moleacuteculaire in silico multi-eacutechelleaccompagnant les proceacutedeacutes technologiques du laboratoire Mes activiteacutes couvrent donc des as-pects meacutethodologiques mais aussi applicatifs puisque ces outils sont mis en oeuvre autourdrsquoapplications novatrices telles que les capteurs agrave aptamegraveres deacuteveloppeacutes par la suite

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Deacuteveloppements meacutethodologiques

La meacutethode des Modes Statiques permet de prendre en compte la flexibiliteacute des mo-leacutecules crsquoest-agrave-dire drsquoeacutetudier les changements conformationnels au travers des deacuteplacementsatomiques Sa force est de permettre lrsquoobtention en un seul calcul de lrsquoensemble des deacute-formations de la moleacutecule induites par lrsquoexcitation systeacutematique de tous les atomesdans toutes les directions Chaque mode statique traduit lrsquoeffet drsquoune excitation externeassimileacutee agrave une interaction intermoleacuteculaire il repreacutesente le champ de deacuteformation drsquounemoleacutecule Lrsquoextension des Modes Statiques aux Modes Geacuteneacuteraliseacutes doit permettre de mieux ap-preacutehender la flexibiliteacute de macromoleacutecules telles que les proteacuteines et de mettre en place uneproceacutedure de docking pour laquelle ils ont eacuteteacute conccedilus

11 Modes Geacuteneacuteraliseacutes

La meacutethode des Modes Statiques permet de deacuteterminer les deacuteformations moleacuteculairesdans une approximation harmonique Les Modes Statiques nous ont cependant permis de ladeacutepasser pour observer des changements de conformation des moleacutecules sous lrsquoaction de forcesexteacuterieures et drsquoaller vers le problegraveme du docking Cependant cette deacutemarche requiert unemultiplication du nombre de matrices de Modes Statiques pour tenir compte des effets nonlineacuteaires dus agrave lrsquoanharmoniciteacute Une deacutemarche plus judicieuse pour tenir compte des effetsanharmoniques consiste agrave partir drsquoune matrice hessienne diagonaliseacutee Les coordonneacutees carteacute-siennes sont alors remplaceacutees par des coordonneacutees geacuteneacuteraliseacutees au sens de Lagrange associeacutees agravedes Modes Geacuteneacuteraliseacutes Cette approche est inteacuteressante dans le cas des moleacutecules biologiquesconstitueacutees drsquoune chaicircne de base replieacutee par lrsquointermeacutediaire de chaicircnes lateacuterales On peut alorsconsideacuterer que lrsquoessentiel des variations drsquoeacutenergie aux tempeacuteratures ambiantes provient desvariations drsquoangles de torsions Dans ce cas la matrice hessienne se preacutesente degraves le deacutepart sousune forme diagonale Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes sont donc deacutefinis comme des mouvements detorsions peu deacutependantes les unes des autres

12 Docking

Les Modes Statiques ont eacuteteacute proposeacutes agrave des fins drsquointeacutegration de la flexibiliteacute dans les pro-ceacutedures de docking Comme nous venons de le voir leur extension aux Modes Geacuteneacuteraliseacutespermettra de mieux appreacutehender cette flexibiliteacute et drsquoexplorer les parties flexibles drsquoune mo-leacutecule par rapport agrave des parties plus rigides La principale perspective de deacuteveloppement lesinteacutegrant est donc algorithme de docking Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes seront calculeacutes tout au longdu processus drsquointeraction selon les forces creacuteeacutees entre sites permettant la prise en comptedes effets drsquoajustement induit ce qui repreacutesente un vrai deacutefi pour le docking Lesforces drsquointeraction en jeu permettent de calculer lrsquoeacutevolution des positions relatives des deuxmoleacutecules lrsquoune par rapport agrave lrsquoautre dans le sens drsquoune minimisation drsquoeacutenergie totale Au fil decette eacutevolution les forces intermoleacuteculaires srsquoexercant sur les sites drsquointeraction induisent desdeacuteformations en faisant appel aux modes preacute-stockeacutes La force de cette approche est que du-rant la proceacutedure de docking les seules variables dynamiques sont les coordonneacutees des atomesimpliqueacutes dans lrsquointeraction Les paramegravetres concernant les autres atomes sont contenus dansles modes preacute-calculeacutes Seules lrsquoeacutenergie et les forces drsquointeraction entre moleacutecules sont exprimeacuteesexplicitement pour toutes les connexions inter-atomiques En revanche les eacutenergies et forcesinternes des moleacutecules sont traiteacutees au travers des modes

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

2 Applications aux systegravemes bio-hybrides

Lrsquointeacutegration des biomoleacutecules entraicircne certaines questions comment les deacuteposer surune surface et les fonctionnaliser sans les deacutenaturer comment diriger leur seacutelectiviteacute comment diminuer leur complexiteacute tout en conservant leur speacutecificiteacute et leur fonction

Prenons le cas des aptamegraveres Outre des enjeux technologiques eacutevidents ces courts brins drsquoacidesnucleacuteiques preacutesentent plusieurs inteacuterecircts pour nos simulations i) leur petite taille facilite ledeacuteveloppement et la validation drsquoune nouvelle approche ii) leur grande seacutelectiviteacute met en jeuun reacuteseau complexe drsquointeractions faibles dont la deacutetermination est essentielle pour geacuterer laconception de dispositifs performants iii) leur comportement notamment dans un milieu nonbiologique nrsquoest pas suffisamment connu pour mener leur exploitation agrave un stade industrielIls constituent un vrai deacutefi auquel nous avons deacutecideacute de nous confronter Dans un premiertemps le systegraveme choisi est celui drsquoun capteur sandwich agrave 2 aptamegraveres Plusieurs verrousapparaissent deacutejagrave neacutecessitant un travail de modeacutelisation incontournable

bull Interaction aptamegravereproteacuteine

radicdeacuteformation et modification de lrsquoactiviteacute des partenaires lieacutee agrave lrsquointeraction

Lrsquointeraction avec un aptamegravere va-t-elle affecter celle du second

radicsurface drsquointeraction affiniteacute speacutecificiteacute

Comprendre lrsquointeraction pour aller vers lrsquooptimisation et le controcircle

bull Interaction substrataptamegravere

radiceffet du substrat sur le repliement de lrsquoaptamegravere sur lrsquoactiviteacute biologique

radicdensiteacute de greffage

Preacutevoir le comportement des biomoleacutecules agrave lrsquoapproche drsquoune surface

bull Influence du dispositif de deacutetection

radicchoix du linker

radicencombrement steacuterique effet de la moleacutecule de deacutetection sur le systegraveme

Guider la fonctionnalisation et lrsquoimmobilisation sur le surface

bull Vers lrsquooptimisation et la conception

radicdureacutee de vie de lrsquointeraction speacutecificiteacute stabiliteacute

radicrepliement tridimensionnel de lrsquoaptamegravere

Diminuer la taille tout en conservantameacuteliorant les proprieacuteteacutes

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Application aux moleacutecules bio-hybrides

Aptamegraveres pour la deacutetection

Mots-cleacutes aptamegraveres thrombine interactions ADNproteacuteines interactions bionon-bio

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil particuliegraverement bien adapteacute pour deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de systegravemes bio-hybrides tels que lesaptamegraveres pressentis comme excellents candidats pour une nouvelle geacuteneacuteration de capteursLes aptamegraveres sont de courts brins drsquoADNARN pouvant se lier agrave leur cible avec une grandespeacutecificiteacute et affiniteacute Ils constituent pour cette raison drsquoexcellents capteurs Pourtant leurabsence des proceacutedeacutes industriels nous impose la complexiteacute de leur mise en oeuvre Noussommes en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces aptamegraveres et de lrsquoeffet deleur environnement sur leur proprieacuteteacutes (linkers moleacutecules de deacutetection)

Contexte

Lrsquoabsence des aptamegraverres des proceacutedeacutes industriels nous imposela complexiteacute de leur mise en oeuvre Le verrou principalrepose sur leur seacutelection in vivo ne tenant pas comptedes modifications chimiques requises pour leur inteacute-gration Dans le cadre de lrsquoutilisation des aptamegraveres au LAASpour des applications bio-puces nous utilisons les Modes Sta-tiques afin de cribler lrsquoimpact de modifications structuralesimposeacutees agrave un aptamegravere sur sa stabiliteacute biomeacutecanique Notreideacutee est que lrsquooutil Modes Statiques permet de deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de sys-tegravemes bio-hybrides tels que les aptamegraveres Nous sommes doncen en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces ap-tamegraveres et de lrsquoeffet de leur environnement sur leur proprieacuteteacutes

Reacutesultats

Nous avons amorceacute lrsquoeacutetude drsquoun complexe aptamegravere-thrombine dans lequel 2 aptamegraveressont utiliseacutes pour la capture et la deacutetection Nos premiers calculs sont axeacutes sur les proprieacute-teacutes drsquoun des 2 aptamegraveres Les calculs montrent notamment qursquoune fonctionnalisation par desspacers usuels (PEG poly-T) perturbe ses proprieacuteteacutes meacutecaniques alors qursquoune chaicircne alkylea une incidence mineure Ces travaux pionniers suggegraverent que la conception des capteursagrave aptamegraveres doit srsquoappuyer sur une modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique deacutedieacutee agrave cessystegravemes Nous envisageons agrave preacutesent de tester lrsquoeffet des spacers sur lrsquointeraction aptamegravere-cible mais aussi de modeacuteliser le comportement des aptamegraveres sur une surface Ces reacutesultats onteacuteteacute publieacutes dans Applied Physics Letters (2012) et ont fait lrsquoobjet drsquoune seacutelection pour VirtualJournal of Biological Physics Research (numeacutero du 1er mai 2012)

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

Oncologie structurale

Cas de lrsquooncoproteacuteine RAS

Mots-cleacutes GTPase mutation flexibiliteacute site catalytique mouvements fonctionnels

Reacutesumeacute Les meacutethodologies deacuteveloppeacutees peuvent bien entendu ecirctre appliqueacutees agrave des ques-tions plus traditionnelles de la biologie tels que les changements conformationnels lrsquoacti-viteacute enzymatique la reacutegulation des signaux intra-cellulaires Ce travail est meneacute en colla-boration avec des biologistes et des pharmacologues notamment dans ce cas avec lrsquoInstitutClaudius Reacutegaud de Toulouse aux cocircteacutes duquel nous sommes engageacutes sur le cas de la proteacuteineRAS Cette oncoproteacuteine est pressentie comme une cible de grand potentiel pour denouvelles theacuterapies les calculs sont nombreux (dynamique moleacuteculaires principalement)mais ne reacutepondent pas aux questions fondamentales (rocircle des mutations mouvements in-ternes et reacutegulation) Nous pensons que Flexible peut permettre drsquoapporter un nouveleacuteclairage sur ces points et travaillons en ce moment sur la caracteacuterisation du site cata-lytique de RAS et sur lrsquoeffet de mutations sur le meacutecanisme drsquohydrolyse du GTPqui est agrave la base de sa fonction et dont une activiteacute anormale conduit agrave la prolifeacuteration descellules tumorales

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• Curriculum Vitae
• Enseignement et responsabiliteacutes administratives
• Production scientifique
• Activiteacutes de recherche

IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Acides nucleacuteiques contraints

Mots-cleacutes ADN modifieacute stabiliteacute flexibiliteacute des sucres relation sucrebackbone

Reacutesumeacute La meacutethode des Modes Statiques a eacuteteacute appliqueacutee agrave lrsquoeacutetude des effets des D-CNAssur la stabiliteacute de duplex drsquoacides nucleacuteiques Ce travail a permis de corroborer les reacutesultatsexpeacuterimentaux concernant le gain de stabiliteacute et de confirmer lrsquohypothegravese de rigidification dusucre lieacutee agrave la contrainte Cette eacutetude a non seulement fourni une validation de la meacutethodepar comparaison agrave lrsquoexpeacuterience mais a eacutegalement prouveacute ses capaciteacutes de preacutediction pour laconception de moleacutecules

Contexte

Les dinucleacuteotides contraints (D-CNAs) sont preacuteorganiseacutes pour srsquoinseacuterer dans des duplexstandards drsquoADN ou drsquoARN et leur apporter un gain de stabiliteacute Lrsquoexpeacuterience a montreacuteqursquoils augmentent la stabiliteacute de faccedilon plus nette dans un duplex drsquoADN (forme B) que dansun heacuteteacuteroduplex drsquoADNARN (forme A)[6] La meacutethode des Modes Statiques a eacuteteacute appliqueacuteeagrave ces deux systegravemes contraints et non contraints (Tetrahedron (2010))

Reacutesultats

Ce travail a permis de corroborer les reacutesultats expeacuterimentaux concernant le gain de stabiliteacuteUne proceacutedure systeacutematique drsquoexcitation multi-sites a montreacute que dans les deux cas 75des liaisons hydrogegravene entre paires de bases eacutetaient plus difficiles agrave casser et ce en moindreproportion dans le cas ADNARN

Nous avons eacutegalement montreacute que le changement de phase est induit par un reacutearrangementlocal du backbone impossible dans les D-CNAs Le sucre est rigidifieacute dans sa conformationsud incompatible avec un duplex de forme A et explique les difficulteacutes agrave obtenir un duplexADNARN stable Cette eacutetude est un premier succegraves preacutedictif les modes statiques au-raient pu indiquer ougrave modifier chimiquement le backbone pour rigidifier le sucre

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

Monobrin drsquoADN thioleacute

Mots-cleacutes ADN thioleacute flexibiliteacute Modes Statiques eacutetirement de lrsquoADN

Reacutesumeacute Les Modes Statiques ont permis drsquoeacutevaluer les deacuteformation drsquoun brin drsquoADN greffeacutesur une surface modegravele de silicium Ce travail a fourni des informations essentielles sur lapropagation de la deacuteformation le long du squelette sucre-phosphate et sur son absorptionpar les sucres Le linker ne participe pas agrave lrsquoaccommodation de lrsquoADN sur la surface

ContexteLors de lrsquointeacutegration de lrsquoADN dans les nanosystegravemes lrsquoeacutetape de lrsquoimmobilisation est particu-liegraverement importante devant conserver les proprieacuteteacutes de lrsquoADN Pourtant le greffage drsquoADNsur substrat ne fait pas encore lrsquoobjet drsquoeacutetudes theacuteoriques approfondies Nous avons simuleacute lecas drsquoun brin drsquoADN thioleacute (3-C6-thiol-dT4) et eacutetudieacute ses deacuteformations dues aux contactsavec une surface modegravele de silicium Si(100) (Mat Sci Eng B (2009)) Lrsquoatome S est gardeacutefixe tandis que des forces sont appliqueacutees sur les groupements phosphate de lrsquoADN afin drsquoobte-nir une eacutelongation du brin coheacuterente avec les paramegravetres de la surface (384

radicm+ n) Les bases

doivent rester libres en vue drsquoactiviteacute de deacutetection

Reacutesultats Le calcul a deacutemontreacute que la deacuteformation se propage depuis les groupements phos-phates exciteacutes le long du backbone mais nrsquoatteind pas les bases Elle est absorbeacutee parles sucres flexibles dont on peut observer des changements de phase Par ailleurs le linker (une chaicircne alkyle de 6 atomes de carbone) ne se deacuteforme pas Cereacutesultat a reacutecemment eacuteteacute corroboreacute par des travaux expeacuterimentaux Ces premiersreacutesultats meacuteritent drsquoecirctre mis en perspective par rapport aux proprieacuteteacutes de flexibiliteacute meacutesosco-piques de lrsquoADN

ADN eacutetireacute dans un nanopore

Mots-cleacutes eacutetirement de lrsquoADN alpha-heacutemolysine

Reacutesumeacute Divers travaux expeacuterimentaux cherchent agrave eacuteluci-der les meacutecanismes de translocation de lrsquoADN au traversdrsquoun nanopore afin de pouvoir isoler et seacutequencer un simple-brin Les modes statiques sont utiliseacutes afin de recreacuteer les forcesexistantes lors du passage de lrsquoADN dans le pore afin de com-prendre comment des contraintes locales permettent delrsquoeacutetirer et le deacutegraffer Nos reacutesultats montrent que les forcesles plus favorables sont des forces appliqueacutees dans le plan desbases et non des forces de cisaillement Ils montrent eacutegale-ment que les deacuteformations geacuteneacutereacutees se propagent le long dubackbonne et sont absorbeacutees par les sucres qui accommodentla contrainte mais nrsquoatteignent pas les bases pour les inten-siteacutes appliqueacutes ce qui peut ecirctre approfondi pour caracteacuteriserdes proprieacuteteacutes plus macroscopiques de lrsquoADN

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Les proteacuteines comme machines moleacuteculaires

Proteacutease du VIH-1

Mots-cleacutes enzyme allosteacuterique mouvement de boucles effet du ligand

Reacutesumeacute Lrsquointeacuterecirct pharmaceutique de la proteacutease du VIH-1 a permis de recueillir denombreuses donneacutees structurales et fonctionnelles auxquelles nous avons pu confronter nosreacutesultats Ce premier exemple macromoleacuteculaire a permis de valider la coheacuterence de lrsquoap-proche par modes statiques Gacircce agrave un calcul principal nous avons retrouveacute un nombreimportant de proprieacuteteacutes identifieacutees au cours de ces 20 derniegraveres anneacutees par lrsquoexpeacuterimentationou le calcul La simulation de lrsquoarrimage drsquoun ligand a par ailleurs confirmeacute la compatibiliteacuteet lrsquoefficaciteacute de la meacutethode pour une approche de docking

ContexteLes proprieacuteteacutes structurales et enzymatiques de la proteacutease du VIH-1sont bien connues ce quien a fait un parfait exemple de validation de lrsquoapproche des Modes Statiques sur proteacuteinesEn particulier elle preacutesente un site catalytique enfoui accessible gracircce agrave lrsquoouverture de deuxboucles Nous nous sommes inteacuteresseacutes au meacutecanisme drsquoouverturefermeture de la proteacuteaseainsi qursquoagrave la stabiliteacute de son site actif

Reacutesultats Nos reacutesultats ont permis de cartographier les reacutesidus impliqueacutes dans les mouve-ments fonctionnels et la stabiliteacute du site actif Ce premier cas macromoleacuteculaire a permisde valider la coheacuterence et la puissance de lrsquoapproche par modes statiques En effet gracircce agraveun calcul principal nous avons retrouveacute la plupart des proprieacuteteacutes identifieacutees au cours de ces 20derniegraveres anneacutees par lrsquoexpeacuterimentation ou le calcul (communication par domaines allosteacuterie)Nous avons par ailleurs apporteacute des informations au niveau atomique sur ces meacutecanismes La simulation de lrsquoarrimage drsquoun ligand a par ailleurs confirmeacute la compatibiliteacuteet lrsquoefficaciteacute de la meacutethode pour une approche de docking (figures de)

(a) bande b (b) conformation fermeacutee (c) conformation ouverte

Reacuteponse de lrsquoouverture des boucles agrave lrsquoexcitation systeacutematique de tous les couples drsquoatomes de la proteacutease enconformation fermeacutee (b) et ouverte (c) La figure (a) correspond agrave la bande b de la figure (b) montrant lrsquoactiviteacutedu levier (en rouge) Il apparaicirct sur la figure (c) qursquoun grand nombre de reacutesidus (de lrsquointerface inter-monomegraveres)ne sont plus actifs en conformation fermeacutee

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

(a) Position du ligand (b) Fermeture induite des boucles

Simulation de lrsquoarriveacutee drsquoun ligand par application de forces drsquointeraction sur 4 sites de la proteacutease en confor-mation ouverte (en vert sur la figure (b) Le reacutesultat est la fermeture des boucles (en jaune sur la figure (b))

Dihydrofolate reacuteductase

Mots-cleacutes enzyme mouvement de boucles position des ligands mutations Modes Sta-tiques optimisation sous contrainte effet du ligand

Reacutesumeacute La meacutethode des Modes Statiques a eacuteteacute appliqueacutee aux mouvements de bouclesde la DHFR Les reacutesultats indiquent que les mouvements du backbone sont neacutecessairesagrave la communication entre domaines qui dirige les mouvements de boucles Nos calculs onteacutegalement montreacute qursquoen preacutesence du folate lrsquoensemble de la structure se rigidifie Des liaisonsintra et intermoleacuteculaires se forment stabilisant le complexe et favorisant la catalyse Lereacutesidu Ile14 en particulier permet drsquoajuster la position du folate pour effectuer le transfertde proton Des calculs avec I14A et I14V ont confirmeacute lrsquoimplication de sa chaicircne lateacuterale

Contexte

La dihydrofolate reacuteductase catalyse la reacuteduction du dihydrofolate en teacutetrahydrofolate neacutecessairedans la production de bases nucleacuteiques Son site actif est enfoui au coeur de 3 boucles Laboucle Met20 adopte 2 conformations selon la preacutesence des ligands permettant leurarrimage la catalyse (transfert hydride et protonation) et le relacircchement du produit Les liaisonshydrogegravene que Met20 eacutetablit avec son environnement varie selon sa conformation

Moteurs moleacuteculaires agrave ATP

Mots-cleacutes enzyme membranaire changements conformationnels effet du ligand ATP

Reacutesumeacute Les moteurs proteacuteiques agrave ATP que jrsquoai eacutetudieacutes durant mon seacutejour post-doctoralhydrolysent les moleacutecules drsquoadeacutenosine-triphosphate (ATP) et convertissent cette eacutenergie enchangements conformationnels complexes permettant le fonctionnement du moteur Jecherche agrave comprendre et agrave reproduire lese meacutecanismes de ces machines moleacuteculaires et enparticulier agrave eacutevaluer le rocircle de lrsquoATP dans les changements de conformations (Ca2+-ATPasefig A Myosine fig B Chaperonine Mm-Cpn fig C)

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Reacutesultats

Les Modes Statiques ont eacuteteacute utiliseacutes pour maximiserlrsquoouverturefermeture des liaisons H entre les bouclesLes reacutesultats montrent lrsquoexistence drsquoun reacuteseau tregraveslocal permettant la propagation du mouvementcorroborant la theacuteorie localized promoting motion Le reacutesidu Ile14 permet drsquoajuster la position dufolate permettant la catalyse Sa mutation par unealanine et une valine a confirmeacute le rocircle de sa chaicircnelateacuterale (J Phys Chem B (2011))

Contexte

Les ATPases sont de veacuteritables moteurs moleacuteculaires Leur meacutecanique est encore peu connuemais lrsquoATP est consideacutereacute comme le carburant de ces moteurs les activant lors de sa liaisonJe leur ai appliqueacute le nouveau modegravele (preacutesenteacute en IV21) permettant de simuler les effetsdrsquoajustements induits dans lrsquoespace des torsions et permettant drsquoatteindre les ampli-tudes neacutecessaires pour deacutecrire les mouvements des ATPases Lrsquoideacutee est drsquoappliquer une forcecarteacutesienne transformeacutee en force geacuteneacuteraliseacutee ou encore drsquointeacutegrer une contrainte surune distance comme une perturbation de lrsquoeacutenergie totale

Reacutesultats

Un excellent accord avec la conformation active est obtenu en appliquant des forceslocales au niveau des sites de liaison de lrsquoATP Il est remarquable que chaque mouvementde domaine vers sa position cible entraicircne une diminution du RMSD des autres domaines Dansle cas de la Ca2+-ATPase le mouvement du domaine cytoplasmique en direction de lrsquoATP suffitagrave replacer lrsquoensemble de la proteacuteine dans sa conformation active (structure E1 vers E2) Dansle cas de la Myosine II des mouvements extrecircmement locaux entraicircnent par amplification lemouvement du levier sur plus de 11Aring Au-delagrave de ces excellents reacutesultats cette meacutethode prouveqursquoun modegravele de torsions et de forces geacuteneacuteraliseacutees est particuliegraverement adapteacute agrave la modeacutelisationdes mouvements de grande amplitude des biomoleacutecules

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Marie Brut - LAAS-CNRS REacuteFEacuteRENCES

Reacutefeacuterences

[1] RJ Koopmans A Aggeli Curr Op Microbiol13 327-334 (2010)

[2] KA Carlson Curr Opin Chem Biol 6 447-452(2002)

[3] M Karplus MA McCammon Nature StructBiol 9 646-652 (2002)

[4] J Ma Structure 13 373-380 (2005)

[5] M Levitt C Sander P Stern J Mol Bio 181423-447 (1985)

[6] C Dupouy N Icheacute-Tarrat M-P Durrieu FRodriguez J-M Escudier A Vigroux AngewChem 118 3705-3709 (2006)

IV3 Activiteacutes et projets en cours

Contexte et Motivations

Maicirctriser la conception de dispositifs bio-hybrides couplant les systegravemes complexes fournispar la nature aux mateacuteriaux plus traditionnels des technologies neacutecessite une compreacutehensionfine des interactions tisseacutees entredans les biomoleacutecules et entre les biomoleacutecules etleur environnement La modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique est incontournable pourdeacutecripter et preacutedire ces meacutecanismes drsquoune complexiteacute sans preacuteceacutedent

Concernant les technologies classiques la modeacutelisation de processus complexes est bien eacutetablie une strateacutegie multi-eacutechelle associe du calcul ab initio pour comprendre la chimie des interactionseacuteleacutementaires du Monte Carlo cineacutetique pour simuler la croissance de nano-objets agrave lrsquoeacutechellemeacutesoscopique et enfin des techniques continues pour simuler les technologies drsquoeacutelaboration auniveau des reacuteacteurs de croissance Dans la perspective de lrsquointeacutegration de biomoleacuteculesdans les proceacutedeacutes ces strateacutegies doivent ecirctre eacutetendues agrave de nouveaux niveaux demodeacutelisation Crsquoest aujourdrsquohui le verrou le plus fondamental et compliqueacute agrave lever

Dans le strict domaine de la preacutediction des interactions en biologie ie le docking la principaledifficulteacute est lieacutee agrave la tregraves grande taille des systegravemes et au traitement des liaisonsfaibles qui font des biomoleacutecules des eacutedifices tregraves flexibles Deacuteterminer et introduirecette souplesse conformationnelle au moins partiellement dans un algorithme de docking esttoujours aussi probleacutematique Le nouvel obstacle est le traitement de leur interactionavec un environnement non biologique tregraves enclin agrave les modifier voire les deacutenaturer

Mes activiteacutes au sein du LAAS-CNRS reposent sur le deacuteveloppement drsquooutils innovantsdeacutedieacutes aux moleacutecules biologiques et bio-hybrides et pouvant accompagner les pro-ceacutedeacutes du laboratoire notamment les technologies ADN Jrsquoy poursuis les deacuteveloppe-ments de la meacutethode des Modes Statiques Lrsquoideacutee est de lrsquoutiliser directement afin drsquoexplorerles proprieacuteteacutes intrinsegraveques des moleacutecules en jeu mais aussi de lrsquoadapter dans une proceacute-dure de docking pour laquelle elle a eacuteteacute deacuteveloppeacutee A terme lrsquoobjectif est de deacutevelopper unebatterie drsquooutils permettant une veacuteritable ingeacutenierie moleacuteculaire in silico multi-eacutechelleaccompagnant les proceacutedeacutes technologiques du laboratoire Mes activiteacutes couvrent donc des as-pects meacutethodologiques mais aussi applicatifs puisque ces outils sont mis en oeuvre autourdrsquoapplications novatrices telles que les capteurs agrave aptamegraveres deacuteveloppeacutes par la suite

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Deacuteveloppements meacutethodologiques

La meacutethode des Modes Statiques permet de prendre en compte la flexibiliteacute des mo-leacutecules crsquoest-agrave-dire drsquoeacutetudier les changements conformationnels au travers des deacuteplacementsatomiques Sa force est de permettre lrsquoobtention en un seul calcul de lrsquoensemble des deacute-formations de la moleacutecule induites par lrsquoexcitation systeacutematique de tous les atomesdans toutes les directions Chaque mode statique traduit lrsquoeffet drsquoune excitation externeassimileacutee agrave une interaction intermoleacuteculaire il repreacutesente le champ de deacuteformation drsquounemoleacutecule Lrsquoextension des Modes Statiques aux Modes Geacuteneacuteraliseacutes doit permettre de mieux ap-preacutehender la flexibiliteacute de macromoleacutecules telles que les proteacuteines et de mettre en place uneproceacutedure de docking pour laquelle ils ont eacuteteacute conccedilus

11 Modes Geacuteneacuteraliseacutes

La meacutethode des Modes Statiques permet de deacuteterminer les deacuteformations moleacuteculairesdans une approximation harmonique Les Modes Statiques nous ont cependant permis de ladeacutepasser pour observer des changements de conformation des moleacutecules sous lrsquoaction de forcesexteacuterieures et drsquoaller vers le problegraveme du docking Cependant cette deacutemarche requiert unemultiplication du nombre de matrices de Modes Statiques pour tenir compte des effets nonlineacuteaires dus agrave lrsquoanharmoniciteacute Une deacutemarche plus judicieuse pour tenir compte des effetsanharmoniques consiste agrave partir drsquoune matrice hessienne diagonaliseacutee Les coordonneacutees carteacute-siennes sont alors remplaceacutees par des coordonneacutees geacuteneacuteraliseacutees au sens de Lagrange associeacutees agravedes Modes Geacuteneacuteraliseacutes Cette approche est inteacuteressante dans le cas des moleacutecules biologiquesconstitueacutees drsquoune chaicircne de base replieacutee par lrsquointermeacutediaire de chaicircnes lateacuterales On peut alorsconsideacuterer que lrsquoessentiel des variations drsquoeacutenergie aux tempeacuteratures ambiantes provient desvariations drsquoangles de torsions Dans ce cas la matrice hessienne se preacutesente degraves le deacutepart sousune forme diagonale Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes sont donc deacutefinis comme des mouvements detorsions peu deacutependantes les unes des autres

12 Docking

Les Modes Statiques ont eacuteteacute proposeacutes agrave des fins drsquointeacutegration de la flexibiliteacute dans les pro-ceacutedures de docking Comme nous venons de le voir leur extension aux Modes Geacuteneacuteraliseacutespermettra de mieux appreacutehender cette flexibiliteacute et drsquoexplorer les parties flexibles drsquoune mo-leacutecule par rapport agrave des parties plus rigides La principale perspective de deacuteveloppement lesinteacutegrant est donc algorithme de docking Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes seront calculeacutes tout au longdu processus drsquointeraction selon les forces creacuteeacutees entre sites permettant la prise en comptedes effets drsquoajustement induit ce qui repreacutesente un vrai deacutefi pour le docking Lesforces drsquointeraction en jeu permettent de calculer lrsquoeacutevolution des positions relatives des deuxmoleacutecules lrsquoune par rapport agrave lrsquoautre dans le sens drsquoune minimisation drsquoeacutenergie totale Au fil decette eacutevolution les forces intermoleacuteculaires srsquoexercant sur les sites drsquointeraction induisent desdeacuteformations en faisant appel aux modes preacute-stockeacutes La force de cette approche est que du-rant la proceacutedure de docking les seules variables dynamiques sont les coordonneacutees des atomesimpliqueacutes dans lrsquointeraction Les paramegravetres concernant les autres atomes sont contenus dansles modes preacute-calculeacutes Seules lrsquoeacutenergie et les forces drsquointeraction entre moleacutecules sont exprimeacuteesexplicitement pour toutes les connexions inter-atomiques En revanche les eacutenergies et forcesinternes des moleacutecules sont traiteacutees au travers des modes

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

2 Applications aux systegravemes bio-hybrides

Lrsquointeacutegration des biomoleacutecules entraicircne certaines questions comment les deacuteposer surune surface et les fonctionnaliser sans les deacutenaturer comment diriger leur seacutelectiviteacute comment diminuer leur complexiteacute tout en conservant leur speacutecificiteacute et leur fonction

Prenons le cas des aptamegraveres Outre des enjeux technologiques eacutevidents ces courts brins drsquoacidesnucleacuteiques preacutesentent plusieurs inteacuterecircts pour nos simulations i) leur petite taille facilite ledeacuteveloppement et la validation drsquoune nouvelle approche ii) leur grande seacutelectiviteacute met en jeuun reacuteseau complexe drsquointeractions faibles dont la deacutetermination est essentielle pour geacuterer laconception de dispositifs performants iii) leur comportement notamment dans un milieu nonbiologique nrsquoest pas suffisamment connu pour mener leur exploitation agrave un stade industrielIls constituent un vrai deacutefi auquel nous avons deacutecideacute de nous confronter Dans un premiertemps le systegraveme choisi est celui drsquoun capteur sandwich agrave 2 aptamegraveres Plusieurs verrousapparaissent deacutejagrave neacutecessitant un travail de modeacutelisation incontournable

bull Interaction aptamegravereproteacuteine

radicdeacuteformation et modification de lrsquoactiviteacute des partenaires lieacutee agrave lrsquointeraction

Lrsquointeraction avec un aptamegravere va-t-elle affecter celle du second

radicsurface drsquointeraction affiniteacute speacutecificiteacute

Comprendre lrsquointeraction pour aller vers lrsquooptimisation et le controcircle

bull Interaction substrataptamegravere

radiceffet du substrat sur le repliement de lrsquoaptamegravere sur lrsquoactiviteacute biologique

radicdensiteacute de greffage

Preacutevoir le comportement des biomoleacutecules agrave lrsquoapproche drsquoune surface

bull Influence du dispositif de deacutetection

radicchoix du linker

radicencombrement steacuterique effet de la moleacutecule de deacutetection sur le systegraveme

Guider la fonctionnalisation et lrsquoimmobilisation sur le surface

bull Vers lrsquooptimisation et la conception

radicdureacutee de vie de lrsquointeraction speacutecificiteacute stabiliteacute

radicrepliement tridimensionnel de lrsquoaptamegravere

Diminuer la taille tout en conservantameacuteliorant les proprieacuteteacutes

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Application aux moleacutecules bio-hybrides

Aptamegraveres pour la deacutetection

Mots-cleacutes aptamegraveres thrombine interactions ADNproteacuteines interactions bionon-bio

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil particuliegraverement bien adapteacute pour deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de systegravemes bio-hybrides tels que lesaptamegraveres pressentis comme excellents candidats pour une nouvelle geacuteneacuteration de capteursLes aptamegraveres sont de courts brins drsquoADNARN pouvant se lier agrave leur cible avec une grandespeacutecificiteacute et affiniteacute Ils constituent pour cette raison drsquoexcellents capteurs Pourtant leurabsence des proceacutedeacutes industriels nous impose la complexiteacute de leur mise en oeuvre Noussommes en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces aptamegraveres et de lrsquoeffet deleur environnement sur leur proprieacuteteacutes (linkers moleacutecules de deacutetection)

Contexte

Lrsquoabsence des aptamegraverres des proceacutedeacutes industriels nous imposela complexiteacute de leur mise en oeuvre Le verrou principalrepose sur leur seacutelection in vivo ne tenant pas comptedes modifications chimiques requises pour leur inteacute-gration Dans le cadre de lrsquoutilisation des aptamegraveres au LAASpour des applications bio-puces nous utilisons les Modes Sta-tiques afin de cribler lrsquoimpact de modifications structuralesimposeacutees agrave un aptamegravere sur sa stabiliteacute biomeacutecanique Notreideacutee est que lrsquooutil Modes Statiques permet de deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de sys-tegravemes bio-hybrides tels que les aptamegraveres Nous sommes doncen en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces ap-tamegraveres et de lrsquoeffet de leur environnement sur leur proprieacuteteacutes

Reacutesultats

Nous avons amorceacute lrsquoeacutetude drsquoun complexe aptamegravere-thrombine dans lequel 2 aptamegraveressont utiliseacutes pour la capture et la deacutetection Nos premiers calculs sont axeacutes sur les proprieacute-teacutes drsquoun des 2 aptamegraveres Les calculs montrent notamment qursquoune fonctionnalisation par desspacers usuels (PEG poly-T) perturbe ses proprieacuteteacutes meacutecaniques alors qursquoune chaicircne alkylea une incidence mineure Ces travaux pionniers suggegraverent que la conception des capteursagrave aptamegraveres doit srsquoappuyer sur une modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique deacutedieacutee agrave cessystegravemes Nous envisageons agrave preacutesent de tester lrsquoeffet des spacers sur lrsquointeraction aptamegravere-cible mais aussi de modeacuteliser le comportement des aptamegraveres sur une surface Ces reacutesultats onteacuteteacute publieacutes dans Applied Physics Letters (2012) et ont fait lrsquoobjet drsquoune seacutelection pour VirtualJournal of Biological Physics Research (numeacutero du 1er mai 2012)

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

Oncologie structurale

Cas de lrsquooncoproteacuteine RAS

Mots-cleacutes GTPase mutation flexibiliteacute site catalytique mouvements fonctionnels

Reacutesumeacute Les meacutethodologies deacuteveloppeacutees peuvent bien entendu ecirctre appliqueacutees agrave des ques-tions plus traditionnelles de la biologie tels que les changements conformationnels lrsquoacti-viteacute enzymatique la reacutegulation des signaux intra-cellulaires Ce travail est meneacute en colla-boration avec des biologistes et des pharmacologues notamment dans ce cas avec lrsquoInstitutClaudius Reacutegaud de Toulouse aux cocircteacutes duquel nous sommes engageacutes sur le cas de la proteacuteineRAS Cette oncoproteacuteine est pressentie comme une cible de grand potentiel pour denouvelles theacuterapies les calculs sont nombreux (dynamique moleacuteculaires principalement)mais ne reacutepondent pas aux questions fondamentales (rocircle des mutations mouvements in-ternes et reacutegulation) Nous pensons que Flexible peut permettre drsquoapporter un nouveleacuteclairage sur ces points et travaillons en ce moment sur la caracteacuterisation du site cata-lytique de RAS et sur lrsquoeffet de mutations sur le meacutecanisme drsquohydrolyse du GTPqui est agrave la base de sa fonction et dont une activiteacute anormale conduit agrave la prolifeacuteration descellules tumorales

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• Curriculum Vitae
• Enseignement et responsabiliteacutes administratives
• Production scientifique
• Activiteacutes de recherche

Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

Monobrin drsquoADN thioleacute

Mots-cleacutes ADN thioleacute flexibiliteacute Modes Statiques eacutetirement de lrsquoADN

Reacutesumeacute Les Modes Statiques ont permis drsquoeacutevaluer les deacuteformation drsquoun brin drsquoADN greffeacutesur une surface modegravele de silicium Ce travail a fourni des informations essentielles sur lapropagation de la deacuteformation le long du squelette sucre-phosphate et sur son absorptionpar les sucres Le linker ne participe pas agrave lrsquoaccommodation de lrsquoADN sur la surface

ContexteLors de lrsquointeacutegration de lrsquoADN dans les nanosystegravemes lrsquoeacutetape de lrsquoimmobilisation est particu-liegraverement importante devant conserver les proprieacuteteacutes de lrsquoADN Pourtant le greffage drsquoADNsur substrat ne fait pas encore lrsquoobjet drsquoeacutetudes theacuteoriques approfondies Nous avons simuleacute lecas drsquoun brin drsquoADN thioleacute (3-C6-thiol-dT4) et eacutetudieacute ses deacuteformations dues aux contactsavec une surface modegravele de silicium Si(100) (Mat Sci Eng B (2009)) Lrsquoatome S est gardeacutefixe tandis que des forces sont appliqueacutees sur les groupements phosphate de lrsquoADN afin drsquoobte-nir une eacutelongation du brin coheacuterente avec les paramegravetres de la surface (384

radicm+ n) Les bases

doivent rester libres en vue drsquoactiviteacute de deacutetection

Reacutesultats Le calcul a deacutemontreacute que la deacuteformation se propage depuis les groupements phos-phates exciteacutes le long du backbone mais nrsquoatteind pas les bases Elle est absorbeacutee parles sucres flexibles dont on peut observer des changements de phase Par ailleurs le linker (une chaicircne alkyle de 6 atomes de carbone) ne se deacuteforme pas Cereacutesultat a reacutecemment eacuteteacute corroboreacute par des travaux expeacuterimentaux Ces premiersreacutesultats meacuteritent drsquoecirctre mis en perspective par rapport aux proprieacuteteacutes de flexibiliteacute meacutesosco-piques de lrsquoADN

ADN eacutetireacute dans un nanopore

Mots-cleacutes eacutetirement de lrsquoADN alpha-heacutemolysine

Reacutesumeacute Divers travaux expeacuterimentaux cherchent agrave eacuteluci-der les meacutecanismes de translocation de lrsquoADN au traversdrsquoun nanopore afin de pouvoir isoler et seacutequencer un simple-brin Les modes statiques sont utiliseacutes afin de recreacuteer les forcesexistantes lors du passage de lrsquoADN dans le pore afin de com-prendre comment des contraintes locales permettent delrsquoeacutetirer et le deacutegraffer Nos reacutesultats montrent que les forcesles plus favorables sont des forces appliqueacutees dans le plan desbases et non des forces de cisaillement Ils montrent eacutegale-ment que les deacuteformations geacuteneacutereacutees se propagent le long dubackbonne et sont absorbeacutees par les sucres qui accommodentla contrainte mais nrsquoatteignent pas les bases pour les inten-siteacutes appliqueacutes ce qui peut ecirctre approfondi pour caracteacuteriserdes proprieacuteteacutes plus macroscopiques de lrsquoADN

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Les proteacuteines comme machines moleacuteculaires

Proteacutease du VIH-1

Mots-cleacutes enzyme allosteacuterique mouvement de boucles effet du ligand

Reacutesumeacute Lrsquointeacuterecirct pharmaceutique de la proteacutease du VIH-1 a permis de recueillir denombreuses donneacutees structurales et fonctionnelles auxquelles nous avons pu confronter nosreacutesultats Ce premier exemple macromoleacuteculaire a permis de valider la coheacuterence de lrsquoap-proche par modes statiques Gacircce agrave un calcul principal nous avons retrouveacute un nombreimportant de proprieacuteteacutes identifieacutees au cours de ces 20 derniegraveres anneacutees par lrsquoexpeacuterimentationou le calcul La simulation de lrsquoarrimage drsquoun ligand a par ailleurs confirmeacute la compatibiliteacuteet lrsquoefficaciteacute de la meacutethode pour une approche de docking

ContexteLes proprieacuteteacutes structurales et enzymatiques de la proteacutease du VIH-1sont bien connues ce quien a fait un parfait exemple de validation de lrsquoapproche des Modes Statiques sur proteacuteinesEn particulier elle preacutesente un site catalytique enfoui accessible gracircce agrave lrsquoouverture de deuxboucles Nous nous sommes inteacuteresseacutes au meacutecanisme drsquoouverturefermeture de la proteacuteaseainsi qursquoagrave la stabiliteacute de son site actif

Reacutesultats Nos reacutesultats ont permis de cartographier les reacutesidus impliqueacutes dans les mouve-ments fonctionnels et la stabiliteacute du site actif Ce premier cas macromoleacuteculaire a permisde valider la coheacuterence et la puissance de lrsquoapproche par modes statiques En effet gracircce agraveun calcul principal nous avons retrouveacute la plupart des proprieacuteteacutes identifieacutees au cours de ces 20derniegraveres anneacutees par lrsquoexpeacuterimentation ou le calcul (communication par domaines allosteacuterie)Nous avons par ailleurs apporteacute des informations au niveau atomique sur ces meacutecanismes La simulation de lrsquoarrimage drsquoun ligand a par ailleurs confirmeacute la compatibiliteacuteet lrsquoefficaciteacute de la meacutethode pour une approche de docking (figures de)

(a) bande b (b) conformation fermeacutee (c) conformation ouverte

Reacuteponse de lrsquoouverture des boucles agrave lrsquoexcitation systeacutematique de tous les couples drsquoatomes de la proteacutease enconformation fermeacutee (b) et ouverte (c) La figure (a) correspond agrave la bande b de la figure (b) montrant lrsquoactiviteacutedu levier (en rouge) Il apparaicirct sur la figure (c) qursquoun grand nombre de reacutesidus (de lrsquointerface inter-monomegraveres)ne sont plus actifs en conformation fermeacutee

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

(a) Position du ligand (b) Fermeture induite des boucles

Simulation de lrsquoarriveacutee drsquoun ligand par application de forces drsquointeraction sur 4 sites de la proteacutease en confor-mation ouverte (en vert sur la figure (b) Le reacutesultat est la fermeture des boucles (en jaune sur la figure (b))

Dihydrofolate reacuteductase

Mots-cleacutes enzyme mouvement de boucles position des ligands mutations Modes Sta-tiques optimisation sous contrainte effet du ligand

Reacutesumeacute La meacutethode des Modes Statiques a eacuteteacute appliqueacutee aux mouvements de bouclesde la DHFR Les reacutesultats indiquent que les mouvements du backbone sont neacutecessairesagrave la communication entre domaines qui dirige les mouvements de boucles Nos calculs onteacutegalement montreacute qursquoen preacutesence du folate lrsquoensemble de la structure se rigidifie Des liaisonsintra et intermoleacuteculaires se forment stabilisant le complexe et favorisant la catalyse Lereacutesidu Ile14 en particulier permet drsquoajuster la position du folate pour effectuer le transfertde proton Des calculs avec I14A et I14V ont confirmeacute lrsquoimplication de sa chaicircne lateacuterale

Contexte

La dihydrofolate reacuteductase catalyse la reacuteduction du dihydrofolate en teacutetrahydrofolate neacutecessairedans la production de bases nucleacuteiques Son site actif est enfoui au coeur de 3 boucles Laboucle Met20 adopte 2 conformations selon la preacutesence des ligands permettant leurarrimage la catalyse (transfert hydride et protonation) et le relacircchement du produit Les liaisonshydrogegravene que Met20 eacutetablit avec son environnement varie selon sa conformation

Moteurs moleacuteculaires agrave ATP

Mots-cleacutes enzyme membranaire changements conformationnels effet du ligand ATP

Reacutesumeacute Les moteurs proteacuteiques agrave ATP que jrsquoai eacutetudieacutes durant mon seacutejour post-doctoralhydrolysent les moleacutecules drsquoadeacutenosine-triphosphate (ATP) et convertissent cette eacutenergie enchangements conformationnels complexes permettant le fonctionnement du moteur Jecherche agrave comprendre et agrave reproduire lese meacutecanismes de ces machines moleacuteculaires et enparticulier agrave eacutevaluer le rocircle de lrsquoATP dans les changements de conformations (Ca2+-ATPasefig A Myosine fig B Chaperonine Mm-Cpn fig C)

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Reacutesultats

Les Modes Statiques ont eacuteteacute utiliseacutes pour maximiserlrsquoouverturefermeture des liaisons H entre les bouclesLes reacutesultats montrent lrsquoexistence drsquoun reacuteseau tregraveslocal permettant la propagation du mouvementcorroborant la theacuteorie localized promoting motion Le reacutesidu Ile14 permet drsquoajuster la position dufolate permettant la catalyse Sa mutation par unealanine et une valine a confirmeacute le rocircle de sa chaicircnelateacuterale (J Phys Chem B (2011))

Contexte

Les ATPases sont de veacuteritables moteurs moleacuteculaires Leur meacutecanique est encore peu connuemais lrsquoATP est consideacutereacute comme le carburant de ces moteurs les activant lors de sa liaisonJe leur ai appliqueacute le nouveau modegravele (preacutesenteacute en IV21) permettant de simuler les effetsdrsquoajustements induits dans lrsquoespace des torsions et permettant drsquoatteindre les ampli-tudes neacutecessaires pour deacutecrire les mouvements des ATPases Lrsquoideacutee est drsquoappliquer une forcecarteacutesienne transformeacutee en force geacuteneacuteraliseacutee ou encore drsquointeacutegrer une contrainte surune distance comme une perturbation de lrsquoeacutenergie totale

Reacutesultats

Un excellent accord avec la conformation active est obtenu en appliquant des forceslocales au niveau des sites de liaison de lrsquoATP Il est remarquable que chaque mouvementde domaine vers sa position cible entraicircne une diminution du RMSD des autres domaines Dansle cas de la Ca2+-ATPase le mouvement du domaine cytoplasmique en direction de lrsquoATP suffitagrave replacer lrsquoensemble de la proteacuteine dans sa conformation active (structure E1 vers E2) Dansle cas de la Myosine II des mouvements extrecircmement locaux entraicircnent par amplification lemouvement du levier sur plus de 11Aring Au-delagrave de ces excellents reacutesultats cette meacutethode prouveqursquoun modegravele de torsions et de forces geacuteneacuteraliseacutees est particuliegraverement adapteacute agrave la modeacutelisationdes mouvements de grande amplitude des biomoleacutecules

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Marie Brut - LAAS-CNRS REacuteFEacuteRENCES

Reacutefeacuterences

[1] RJ Koopmans A Aggeli Curr Op Microbiol13 327-334 (2010)

[2] KA Carlson Curr Opin Chem Biol 6 447-452(2002)

[3] M Karplus MA McCammon Nature StructBiol 9 646-652 (2002)

[4] J Ma Structure 13 373-380 (2005)

[5] M Levitt C Sander P Stern J Mol Bio 181423-447 (1985)

[6] C Dupouy N Icheacute-Tarrat M-P Durrieu FRodriguez J-M Escudier A Vigroux AngewChem 118 3705-3709 (2006)

IV3 Activiteacutes et projets en cours

Contexte et Motivations

Maicirctriser la conception de dispositifs bio-hybrides couplant les systegravemes complexes fournispar la nature aux mateacuteriaux plus traditionnels des technologies neacutecessite une compreacutehensionfine des interactions tisseacutees entredans les biomoleacutecules et entre les biomoleacutecules etleur environnement La modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique est incontournable pourdeacutecripter et preacutedire ces meacutecanismes drsquoune complexiteacute sans preacuteceacutedent

Concernant les technologies classiques la modeacutelisation de processus complexes est bien eacutetablie une strateacutegie multi-eacutechelle associe du calcul ab initio pour comprendre la chimie des interactionseacuteleacutementaires du Monte Carlo cineacutetique pour simuler la croissance de nano-objets agrave lrsquoeacutechellemeacutesoscopique et enfin des techniques continues pour simuler les technologies drsquoeacutelaboration auniveau des reacuteacteurs de croissance Dans la perspective de lrsquointeacutegration de biomoleacuteculesdans les proceacutedeacutes ces strateacutegies doivent ecirctre eacutetendues agrave de nouveaux niveaux demodeacutelisation Crsquoest aujourdrsquohui le verrou le plus fondamental et compliqueacute agrave lever

Dans le strict domaine de la preacutediction des interactions en biologie ie le docking la principaledifficulteacute est lieacutee agrave la tregraves grande taille des systegravemes et au traitement des liaisonsfaibles qui font des biomoleacutecules des eacutedifices tregraves flexibles Deacuteterminer et introduirecette souplesse conformationnelle au moins partiellement dans un algorithme de docking esttoujours aussi probleacutematique Le nouvel obstacle est le traitement de leur interactionavec un environnement non biologique tregraves enclin agrave les modifier voire les deacutenaturer

Mes activiteacutes au sein du LAAS-CNRS reposent sur le deacuteveloppement drsquooutils innovantsdeacutedieacutes aux moleacutecules biologiques et bio-hybrides et pouvant accompagner les pro-ceacutedeacutes du laboratoire notamment les technologies ADN Jrsquoy poursuis les deacuteveloppe-ments de la meacutethode des Modes Statiques Lrsquoideacutee est de lrsquoutiliser directement afin drsquoexplorerles proprieacuteteacutes intrinsegraveques des moleacutecules en jeu mais aussi de lrsquoadapter dans une proceacute-dure de docking pour laquelle elle a eacuteteacute deacuteveloppeacutee A terme lrsquoobjectif est de deacutevelopper unebatterie drsquooutils permettant une veacuteritable ingeacutenierie moleacuteculaire in silico multi-eacutechelleaccompagnant les proceacutedeacutes technologiques du laboratoire Mes activiteacutes couvrent donc des as-pects meacutethodologiques mais aussi applicatifs puisque ces outils sont mis en oeuvre autourdrsquoapplications novatrices telles que les capteurs agrave aptamegraveres deacuteveloppeacutes par la suite

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Deacuteveloppements meacutethodologiques

La meacutethode des Modes Statiques permet de prendre en compte la flexibiliteacute des mo-leacutecules crsquoest-agrave-dire drsquoeacutetudier les changements conformationnels au travers des deacuteplacementsatomiques Sa force est de permettre lrsquoobtention en un seul calcul de lrsquoensemble des deacute-formations de la moleacutecule induites par lrsquoexcitation systeacutematique de tous les atomesdans toutes les directions Chaque mode statique traduit lrsquoeffet drsquoune excitation externeassimileacutee agrave une interaction intermoleacuteculaire il repreacutesente le champ de deacuteformation drsquounemoleacutecule Lrsquoextension des Modes Statiques aux Modes Geacuteneacuteraliseacutes doit permettre de mieux ap-preacutehender la flexibiliteacute de macromoleacutecules telles que les proteacuteines et de mettre en place uneproceacutedure de docking pour laquelle ils ont eacuteteacute conccedilus

11 Modes Geacuteneacuteraliseacutes

La meacutethode des Modes Statiques permet de deacuteterminer les deacuteformations moleacuteculairesdans une approximation harmonique Les Modes Statiques nous ont cependant permis de ladeacutepasser pour observer des changements de conformation des moleacutecules sous lrsquoaction de forcesexteacuterieures et drsquoaller vers le problegraveme du docking Cependant cette deacutemarche requiert unemultiplication du nombre de matrices de Modes Statiques pour tenir compte des effets nonlineacuteaires dus agrave lrsquoanharmoniciteacute Une deacutemarche plus judicieuse pour tenir compte des effetsanharmoniques consiste agrave partir drsquoune matrice hessienne diagonaliseacutee Les coordonneacutees carteacute-siennes sont alors remplaceacutees par des coordonneacutees geacuteneacuteraliseacutees au sens de Lagrange associeacutees agravedes Modes Geacuteneacuteraliseacutes Cette approche est inteacuteressante dans le cas des moleacutecules biologiquesconstitueacutees drsquoune chaicircne de base replieacutee par lrsquointermeacutediaire de chaicircnes lateacuterales On peut alorsconsideacuterer que lrsquoessentiel des variations drsquoeacutenergie aux tempeacuteratures ambiantes provient desvariations drsquoangles de torsions Dans ce cas la matrice hessienne se preacutesente degraves le deacutepart sousune forme diagonale Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes sont donc deacutefinis comme des mouvements detorsions peu deacutependantes les unes des autres

12 Docking

Les Modes Statiques ont eacuteteacute proposeacutes agrave des fins drsquointeacutegration de la flexibiliteacute dans les pro-ceacutedures de docking Comme nous venons de le voir leur extension aux Modes Geacuteneacuteraliseacutespermettra de mieux appreacutehender cette flexibiliteacute et drsquoexplorer les parties flexibles drsquoune mo-leacutecule par rapport agrave des parties plus rigides La principale perspective de deacuteveloppement lesinteacutegrant est donc algorithme de docking Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes seront calculeacutes tout au longdu processus drsquointeraction selon les forces creacuteeacutees entre sites permettant la prise en comptedes effets drsquoajustement induit ce qui repreacutesente un vrai deacutefi pour le docking Lesforces drsquointeraction en jeu permettent de calculer lrsquoeacutevolution des positions relatives des deuxmoleacutecules lrsquoune par rapport agrave lrsquoautre dans le sens drsquoune minimisation drsquoeacutenergie totale Au fil decette eacutevolution les forces intermoleacuteculaires srsquoexercant sur les sites drsquointeraction induisent desdeacuteformations en faisant appel aux modes preacute-stockeacutes La force de cette approche est que du-rant la proceacutedure de docking les seules variables dynamiques sont les coordonneacutees des atomesimpliqueacutes dans lrsquointeraction Les paramegravetres concernant les autres atomes sont contenus dansles modes preacute-calculeacutes Seules lrsquoeacutenergie et les forces drsquointeraction entre moleacutecules sont exprimeacuteesexplicitement pour toutes les connexions inter-atomiques En revanche les eacutenergies et forcesinternes des moleacutecules sont traiteacutees au travers des modes

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

2 Applications aux systegravemes bio-hybrides

Lrsquointeacutegration des biomoleacutecules entraicircne certaines questions comment les deacuteposer surune surface et les fonctionnaliser sans les deacutenaturer comment diriger leur seacutelectiviteacute comment diminuer leur complexiteacute tout en conservant leur speacutecificiteacute et leur fonction

Prenons le cas des aptamegraveres Outre des enjeux technologiques eacutevidents ces courts brins drsquoacidesnucleacuteiques preacutesentent plusieurs inteacuterecircts pour nos simulations i) leur petite taille facilite ledeacuteveloppement et la validation drsquoune nouvelle approche ii) leur grande seacutelectiviteacute met en jeuun reacuteseau complexe drsquointeractions faibles dont la deacutetermination est essentielle pour geacuterer laconception de dispositifs performants iii) leur comportement notamment dans un milieu nonbiologique nrsquoest pas suffisamment connu pour mener leur exploitation agrave un stade industrielIls constituent un vrai deacutefi auquel nous avons deacutecideacute de nous confronter Dans un premiertemps le systegraveme choisi est celui drsquoun capteur sandwich agrave 2 aptamegraveres Plusieurs verrousapparaissent deacutejagrave neacutecessitant un travail de modeacutelisation incontournable

bull Interaction aptamegravereproteacuteine

radicdeacuteformation et modification de lrsquoactiviteacute des partenaires lieacutee agrave lrsquointeraction

Lrsquointeraction avec un aptamegravere va-t-elle affecter celle du second

radicsurface drsquointeraction affiniteacute speacutecificiteacute

Comprendre lrsquointeraction pour aller vers lrsquooptimisation et le controcircle

bull Interaction substrataptamegravere

radiceffet du substrat sur le repliement de lrsquoaptamegravere sur lrsquoactiviteacute biologique

radicdensiteacute de greffage

Preacutevoir le comportement des biomoleacutecules agrave lrsquoapproche drsquoune surface

bull Influence du dispositif de deacutetection

radicchoix du linker

radicencombrement steacuterique effet de la moleacutecule de deacutetection sur le systegraveme

Guider la fonctionnalisation et lrsquoimmobilisation sur le surface

bull Vers lrsquooptimisation et la conception

radicdureacutee de vie de lrsquointeraction speacutecificiteacute stabiliteacute

radicrepliement tridimensionnel de lrsquoaptamegravere

Diminuer la taille tout en conservantameacuteliorant les proprieacuteteacutes

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Application aux moleacutecules bio-hybrides

Aptamegraveres pour la deacutetection

Mots-cleacutes aptamegraveres thrombine interactions ADNproteacuteines interactions bionon-bio

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil particuliegraverement bien adapteacute pour deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de systegravemes bio-hybrides tels que lesaptamegraveres pressentis comme excellents candidats pour une nouvelle geacuteneacuteration de capteursLes aptamegraveres sont de courts brins drsquoADNARN pouvant se lier agrave leur cible avec une grandespeacutecificiteacute et affiniteacute Ils constituent pour cette raison drsquoexcellents capteurs Pourtant leurabsence des proceacutedeacutes industriels nous impose la complexiteacute de leur mise en oeuvre Noussommes en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces aptamegraveres et de lrsquoeffet deleur environnement sur leur proprieacuteteacutes (linkers moleacutecules de deacutetection)

Contexte

Lrsquoabsence des aptamegraverres des proceacutedeacutes industriels nous imposela complexiteacute de leur mise en oeuvre Le verrou principalrepose sur leur seacutelection in vivo ne tenant pas comptedes modifications chimiques requises pour leur inteacute-gration Dans le cadre de lrsquoutilisation des aptamegraveres au LAASpour des applications bio-puces nous utilisons les Modes Sta-tiques afin de cribler lrsquoimpact de modifications structuralesimposeacutees agrave un aptamegravere sur sa stabiliteacute biomeacutecanique Notreideacutee est que lrsquooutil Modes Statiques permet de deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de sys-tegravemes bio-hybrides tels que les aptamegraveres Nous sommes doncen en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces ap-tamegraveres et de lrsquoeffet de leur environnement sur leur proprieacuteteacutes

Reacutesultats

Nous avons amorceacute lrsquoeacutetude drsquoun complexe aptamegravere-thrombine dans lequel 2 aptamegraveressont utiliseacutes pour la capture et la deacutetection Nos premiers calculs sont axeacutes sur les proprieacute-teacutes drsquoun des 2 aptamegraveres Les calculs montrent notamment qursquoune fonctionnalisation par desspacers usuels (PEG poly-T) perturbe ses proprieacuteteacutes meacutecaniques alors qursquoune chaicircne alkylea une incidence mineure Ces travaux pionniers suggegraverent que la conception des capteursagrave aptamegraveres doit srsquoappuyer sur une modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique deacutedieacutee agrave cessystegravemes Nous envisageons agrave preacutesent de tester lrsquoeffet des spacers sur lrsquointeraction aptamegravere-cible mais aussi de modeacuteliser le comportement des aptamegraveres sur une surface Ces reacutesultats onteacuteteacute publieacutes dans Applied Physics Letters (2012) et ont fait lrsquoobjet drsquoune seacutelection pour VirtualJournal of Biological Physics Research (numeacutero du 1er mai 2012)

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

Oncologie structurale

Cas de lrsquooncoproteacuteine RAS

Mots-cleacutes GTPase mutation flexibiliteacute site catalytique mouvements fonctionnels

Reacutesumeacute Les meacutethodologies deacuteveloppeacutees peuvent bien entendu ecirctre appliqueacutees agrave des ques-tions plus traditionnelles de la biologie tels que les changements conformationnels lrsquoacti-viteacute enzymatique la reacutegulation des signaux intra-cellulaires Ce travail est meneacute en colla-boration avec des biologistes et des pharmacologues notamment dans ce cas avec lrsquoInstitutClaudius Reacutegaud de Toulouse aux cocircteacutes duquel nous sommes engageacutes sur le cas de la proteacuteineRAS Cette oncoproteacuteine est pressentie comme une cible de grand potentiel pour denouvelles theacuterapies les calculs sont nombreux (dynamique moleacuteculaires principalement)mais ne reacutepondent pas aux questions fondamentales (rocircle des mutations mouvements in-ternes et reacutegulation) Nous pensons que Flexible peut permettre drsquoapporter un nouveleacuteclairage sur ces points et travaillons en ce moment sur la caracteacuterisation du site cata-lytique de RAS et sur lrsquoeffet de mutations sur le meacutecanisme drsquohydrolyse du GTPqui est agrave la base de sa fonction et dont une activiteacute anormale conduit agrave la prolifeacuteration descellules tumorales

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• Curriculum Vitae
• Enseignement et responsabiliteacutes administratives
• Production scientifique
• Activiteacutes de recherche

IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Les proteacuteines comme machines moleacuteculaires

Proteacutease du VIH-1

Mots-cleacutes enzyme allosteacuterique mouvement de boucles effet du ligand

Reacutesumeacute Lrsquointeacuterecirct pharmaceutique de la proteacutease du VIH-1 a permis de recueillir denombreuses donneacutees structurales et fonctionnelles auxquelles nous avons pu confronter nosreacutesultats Ce premier exemple macromoleacuteculaire a permis de valider la coheacuterence de lrsquoap-proche par modes statiques Gacircce agrave un calcul principal nous avons retrouveacute un nombreimportant de proprieacuteteacutes identifieacutees au cours de ces 20 derniegraveres anneacutees par lrsquoexpeacuterimentationou le calcul La simulation de lrsquoarrimage drsquoun ligand a par ailleurs confirmeacute la compatibiliteacuteet lrsquoefficaciteacute de la meacutethode pour une approche de docking

ContexteLes proprieacuteteacutes structurales et enzymatiques de la proteacutease du VIH-1sont bien connues ce quien a fait un parfait exemple de validation de lrsquoapproche des Modes Statiques sur proteacuteinesEn particulier elle preacutesente un site catalytique enfoui accessible gracircce agrave lrsquoouverture de deuxboucles Nous nous sommes inteacuteresseacutes au meacutecanisme drsquoouverturefermeture de la proteacuteaseainsi qursquoagrave la stabiliteacute de son site actif

Reacutesultats Nos reacutesultats ont permis de cartographier les reacutesidus impliqueacutes dans les mouve-ments fonctionnels et la stabiliteacute du site actif Ce premier cas macromoleacuteculaire a permisde valider la coheacuterence et la puissance de lrsquoapproche par modes statiques En effet gracircce agraveun calcul principal nous avons retrouveacute la plupart des proprieacuteteacutes identifieacutees au cours de ces 20derniegraveres anneacutees par lrsquoexpeacuterimentation ou le calcul (communication par domaines allosteacuterie)Nous avons par ailleurs apporteacute des informations au niveau atomique sur ces meacutecanismes La simulation de lrsquoarrimage drsquoun ligand a par ailleurs confirmeacute la compatibiliteacuteet lrsquoefficaciteacute de la meacutethode pour une approche de docking (figures de)

(a) bande b (b) conformation fermeacutee (c) conformation ouverte

Reacuteponse de lrsquoouverture des boucles agrave lrsquoexcitation systeacutematique de tous les couples drsquoatomes de la proteacutease enconformation fermeacutee (b) et ouverte (c) La figure (a) correspond agrave la bande b de la figure (b) montrant lrsquoactiviteacutedu levier (en rouge) Il apparaicirct sur la figure (c) qursquoun grand nombre de reacutesidus (de lrsquointerface inter-monomegraveres)ne sont plus actifs en conformation fermeacutee

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

(a) Position du ligand (b) Fermeture induite des boucles

Simulation de lrsquoarriveacutee drsquoun ligand par application de forces drsquointeraction sur 4 sites de la proteacutease en confor-mation ouverte (en vert sur la figure (b) Le reacutesultat est la fermeture des boucles (en jaune sur la figure (b))

Dihydrofolate reacuteductase

Mots-cleacutes enzyme mouvement de boucles position des ligands mutations Modes Sta-tiques optimisation sous contrainte effet du ligand

Reacutesumeacute La meacutethode des Modes Statiques a eacuteteacute appliqueacutee aux mouvements de bouclesde la DHFR Les reacutesultats indiquent que les mouvements du backbone sont neacutecessairesagrave la communication entre domaines qui dirige les mouvements de boucles Nos calculs onteacutegalement montreacute qursquoen preacutesence du folate lrsquoensemble de la structure se rigidifie Des liaisonsintra et intermoleacuteculaires se forment stabilisant le complexe et favorisant la catalyse Lereacutesidu Ile14 en particulier permet drsquoajuster la position du folate pour effectuer le transfertde proton Des calculs avec I14A et I14V ont confirmeacute lrsquoimplication de sa chaicircne lateacuterale

Contexte

La dihydrofolate reacuteductase catalyse la reacuteduction du dihydrofolate en teacutetrahydrofolate neacutecessairedans la production de bases nucleacuteiques Son site actif est enfoui au coeur de 3 boucles Laboucle Met20 adopte 2 conformations selon la preacutesence des ligands permettant leurarrimage la catalyse (transfert hydride et protonation) et le relacircchement du produit Les liaisonshydrogegravene que Met20 eacutetablit avec son environnement varie selon sa conformation

Moteurs moleacuteculaires agrave ATP

Mots-cleacutes enzyme membranaire changements conformationnels effet du ligand ATP

Reacutesumeacute Les moteurs proteacuteiques agrave ATP que jrsquoai eacutetudieacutes durant mon seacutejour post-doctoralhydrolysent les moleacutecules drsquoadeacutenosine-triphosphate (ATP) et convertissent cette eacutenergie enchangements conformationnels complexes permettant le fonctionnement du moteur Jecherche agrave comprendre et agrave reproduire lese meacutecanismes de ces machines moleacuteculaires et enparticulier agrave eacutevaluer le rocircle de lrsquoATP dans les changements de conformations (Ca2+-ATPasefig A Myosine fig B Chaperonine Mm-Cpn fig C)

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Reacutesultats

Les Modes Statiques ont eacuteteacute utiliseacutes pour maximiserlrsquoouverturefermeture des liaisons H entre les bouclesLes reacutesultats montrent lrsquoexistence drsquoun reacuteseau tregraveslocal permettant la propagation du mouvementcorroborant la theacuteorie localized promoting motion Le reacutesidu Ile14 permet drsquoajuster la position dufolate permettant la catalyse Sa mutation par unealanine et une valine a confirmeacute le rocircle de sa chaicircnelateacuterale (J Phys Chem B (2011))

Contexte

Les ATPases sont de veacuteritables moteurs moleacuteculaires Leur meacutecanique est encore peu connuemais lrsquoATP est consideacutereacute comme le carburant de ces moteurs les activant lors de sa liaisonJe leur ai appliqueacute le nouveau modegravele (preacutesenteacute en IV21) permettant de simuler les effetsdrsquoajustements induits dans lrsquoespace des torsions et permettant drsquoatteindre les ampli-tudes neacutecessaires pour deacutecrire les mouvements des ATPases Lrsquoideacutee est drsquoappliquer une forcecarteacutesienne transformeacutee en force geacuteneacuteraliseacutee ou encore drsquointeacutegrer une contrainte surune distance comme une perturbation de lrsquoeacutenergie totale

Reacutesultats

Un excellent accord avec la conformation active est obtenu en appliquant des forceslocales au niveau des sites de liaison de lrsquoATP Il est remarquable que chaque mouvementde domaine vers sa position cible entraicircne une diminution du RMSD des autres domaines Dansle cas de la Ca2+-ATPase le mouvement du domaine cytoplasmique en direction de lrsquoATP suffitagrave replacer lrsquoensemble de la proteacuteine dans sa conformation active (structure E1 vers E2) Dansle cas de la Myosine II des mouvements extrecircmement locaux entraicircnent par amplification lemouvement du levier sur plus de 11Aring Au-delagrave de ces excellents reacutesultats cette meacutethode prouveqursquoun modegravele de torsions et de forces geacuteneacuteraliseacutees est particuliegraverement adapteacute agrave la modeacutelisationdes mouvements de grande amplitude des biomoleacutecules

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Marie Brut - LAAS-CNRS REacuteFEacuteRENCES

Reacutefeacuterences

[1] RJ Koopmans A Aggeli Curr Op Microbiol13 327-334 (2010)

[2] KA Carlson Curr Opin Chem Biol 6 447-452(2002)

[3] M Karplus MA McCammon Nature StructBiol 9 646-652 (2002)

[4] J Ma Structure 13 373-380 (2005)

[5] M Levitt C Sander P Stern J Mol Bio 181423-447 (1985)

[6] C Dupouy N Icheacute-Tarrat M-P Durrieu FRodriguez J-M Escudier A Vigroux AngewChem 118 3705-3709 (2006)

IV3 Activiteacutes et projets en cours

Contexte et Motivations

Maicirctriser la conception de dispositifs bio-hybrides couplant les systegravemes complexes fournispar la nature aux mateacuteriaux plus traditionnels des technologies neacutecessite une compreacutehensionfine des interactions tisseacutees entredans les biomoleacutecules et entre les biomoleacutecules etleur environnement La modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique est incontournable pourdeacutecripter et preacutedire ces meacutecanismes drsquoune complexiteacute sans preacuteceacutedent

Concernant les technologies classiques la modeacutelisation de processus complexes est bien eacutetablie une strateacutegie multi-eacutechelle associe du calcul ab initio pour comprendre la chimie des interactionseacuteleacutementaires du Monte Carlo cineacutetique pour simuler la croissance de nano-objets agrave lrsquoeacutechellemeacutesoscopique et enfin des techniques continues pour simuler les technologies drsquoeacutelaboration auniveau des reacuteacteurs de croissance Dans la perspective de lrsquointeacutegration de biomoleacuteculesdans les proceacutedeacutes ces strateacutegies doivent ecirctre eacutetendues agrave de nouveaux niveaux demodeacutelisation Crsquoest aujourdrsquohui le verrou le plus fondamental et compliqueacute agrave lever

Dans le strict domaine de la preacutediction des interactions en biologie ie le docking la principaledifficulteacute est lieacutee agrave la tregraves grande taille des systegravemes et au traitement des liaisonsfaibles qui font des biomoleacutecules des eacutedifices tregraves flexibles Deacuteterminer et introduirecette souplesse conformationnelle au moins partiellement dans un algorithme de docking esttoujours aussi probleacutematique Le nouvel obstacle est le traitement de leur interactionavec un environnement non biologique tregraves enclin agrave les modifier voire les deacutenaturer

Mes activiteacutes au sein du LAAS-CNRS reposent sur le deacuteveloppement drsquooutils innovantsdeacutedieacutes aux moleacutecules biologiques et bio-hybrides et pouvant accompagner les pro-ceacutedeacutes du laboratoire notamment les technologies ADN Jrsquoy poursuis les deacuteveloppe-ments de la meacutethode des Modes Statiques Lrsquoideacutee est de lrsquoutiliser directement afin drsquoexplorerles proprieacuteteacutes intrinsegraveques des moleacutecules en jeu mais aussi de lrsquoadapter dans une proceacute-dure de docking pour laquelle elle a eacuteteacute deacuteveloppeacutee A terme lrsquoobjectif est de deacutevelopper unebatterie drsquooutils permettant une veacuteritable ingeacutenierie moleacuteculaire in silico multi-eacutechelleaccompagnant les proceacutedeacutes technologiques du laboratoire Mes activiteacutes couvrent donc des as-pects meacutethodologiques mais aussi applicatifs puisque ces outils sont mis en oeuvre autourdrsquoapplications novatrices telles que les capteurs agrave aptamegraveres deacuteveloppeacutes par la suite

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Deacuteveloppements meacutethodologiques

La meacutethode des Modes Statiques permet de prendre en compte la flexibiliteacute des mo-leacutecules crsquoest-agrave-dire drsquoeacutetudier les changements conformationnels au travers des deacuteplacementsatomiques Sa force est de permettre lrsquoobtention en un seul calcul de lrsquoensemble des deacute-formations de la moleacutecule induites par lrsquoexcitation systeacutematique de tous les atomesdans toutes les directions Chaque mode statique traduit lrsquoeffet drsquoune excitation externeassimileacutee agrave une interaction intermoleacuteculaire il repreacutesente le champ de deacuteformation drsquounemoleacutecule Lrsquoextension des Modes Statiques aux Modes Geacuteneacuteraliseacutes doit permettre de mieux ap-preacutehender la flexibiliteacute de macromoleacutecules telles que les proteacuteines et de mettre en place uneproceacutedure de docking pour laquelle ils ont eacuteteacute conccedilus

11 Modes Geacuteneacuteraliseacutes

La meacutethode des Modes Statiques permet de deacuteterminer les deacuteformations moleacuteculairesdans une approximation harmonique Les Modes Statiques nous ont cependant permis de ladeacutepasser pour observer des changements de conformation des moleacutecules sous lrsquoaction de forcesexteacuterieures et drsquoaller vers le problegraveme du docking Cependant cette deacutemarche requiert unemultiplication du nombre de matrices de Modes Statiques pour tenir compte des effets nonlineacuteaires dus agrave lrsquoanharmoniciteacute Une deacutemarche plus judicieuse pour tenir compte des effetsanharmoniques consiste agrave partir drsquoune matrice hessienne diagonaliseacutee Les coordonneacutees carteacute-siennes sont alors remplaceacutees par des coordonneacutees geacuteneacuteraliseacutees au sens de Lagrange associeacutees agravedes Modes Geacuteneacuteraliseacutes Cette approche est inteacuteressante dans le cas des moleacutecules biologiquesconstitueacutees drsquoune chaicircne de base replieacutee par lrsquointermeacutediaire de chaicircnes lateacuterales On peut alorsconsideacuterer que lrsquoessentiel des variations drsquoeacutenergie aux tempeacuteratures ambiantes provient desvariations drsquoangles de torsions Dans ce cas la matrice hessienne se preacutesente degraves le deacutepart sousune forme diagonale Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes sont donc deacutefinis comme des mouvements detorsions peu deacutependantes les unes des autres

12 Docking

Les Modes Statiques ont eacuteteacute proposeacutes agrave des fins drsquointeacutegration de la flexibiliteacute dans les pro-ceacutedures de docking Comme nous venons de le voir leur extension aux Modes Geacuteneacuteraliseacutespermettra de mieux appreacutehender cette flexibiliteacute et drsquoexplorer les parties flexibles drsquoune mo-leacutecule par rapport agrave des parties plus rigides La principale perspective de deacuteveloppement lesinteacutegrant est donc algorithme de docking Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes seront calculeacutes tout au longdu processus drsquointeraction selon les forces creacuteeacutees entre sites permettant la prise en comptedes effets drsquoajustement induit ce qui repreacutesente un vrai deacutefi pour le docking Lesforces drsquointeraction en jeu permettent de calculer lrsquoeacutevolution des positions relatives des deuxmoleacutecules lrsquoune par rapport agrave lrsquoautre dans le sens drsquoune minimisation drsquoeacutenergie totale Au fil decette eacutevolution les forces intermoleacuteculaires srsquoexercant sur les sites drsquointeraction induisent desdeacuteformations en faisant appel aux modes preacute-stockeacutes La force de cette approche est que du-rant la proceacutedure de docking les seules variables dynamiques sont les coordonneacutees des atomesimpliqueacutes dans lrsquointeraction Les paramegravetres concernant les autres atomes sont contenus dansles modes preacute-calculeacutes Seules lrsquoeacutenergie et les forces drsquointeraction entre moleacutecules sont exprimeacuteesexplicitement pour toutes les connexions inter-atomiques En revanche les eacutenergies et forcesinternes des moleacutecules sont traiteacutees au travers des modes

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

2 Applications aux systegravemes bio-hybrides

Lrsquointeacutegration des biomoleacutecules entraicircne certaines questions comment les deacuteposer surune surface et les fonctionnaliser sans les deacutenaturer comment diriger leur seacutelectiviteacute comment diminuer leur complexiteacute tout en conservant leur speacutecificiteacute et leur fonction

Prenons le cas des aptamegraveres Outre des enjeux technologiques eacutevidents ces courts brins drsquoacidesnucleacuteiques preacutesentent plusieurs inteacuterecircts pour nos simulations i) leur petite taille facilite ledeacuteveloppement et la validation drsquoune nouvelle approche ii) leur grande seacutelectiviteacute met en jeuun reacuteseau complexe drsquointeractions faibles dont la deacutetermination est essentielle pour geacuterer laconception de dispositifs performants iii) leur comportement notamment dans un milieu nonbiologique nrsquoest pas suffisamment connu pour mener leur exploitation agrave un stade industrielIls constituent un vrai deacutefi auquel nous avons deacutecideacute de nous confronter Dans un premiertemps le systegraveme choisi est celui drsquoun capteur sandwich agrave 2 aptamegraveres Plusieurs verrousapparaissent deacutejagrave neacutecessitant un travail de modeacutelisation incontournable

bull Interaction aptamegravereproteacuteine

radicdeacuteformation et modification de lrsquoactiviteacute des partenaires lieacutee agrave lrsquointeraction

Lrsquointeraction avec un aptamegravere va-t-elle affecter celle du second

radicsurface drsquointeraction affiniteacute speacutecificiteacute

Comprendre lrsquointeraction pour aller vers lrsquooptimisation et le controcircle

bull Interaction substrataptamegravere

radiceffet du substrat sur le repliement de lrsquoaptamegravere sur lrsquoactiviteacute biologique

radicdensiteacute de greffage

Preacutevoir le comportement des biomoleacutecules agrave lrsquoapproche drsquoune surface

bull Influence du dispositif de deacutetection

radicchoix du linker

radicencombrement steacuterique effet de la moleacutecule de deacutetection sur le systegraveme

Guider la fonctionnalisation et lrsquoimmobilisation sur le surface

bull Vers lrsquooptimisation et la conception

radicdureacutee de vie de lrsquointeraction speacutecificiteacute stabiliteacute

radicrepliement tridimensionnel de lrsquoaptamegravere

Diminuer la taille tout en conservantameacuteliorant les proprieacuteteacutes

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Application aux moleacutecules bio-hybrides

Aptamegraveres pour la deacutetection

Mots-cleacutes aptamegraveres thrombine interactions ADNproteacuteines interactions bionon-bio

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil particuliegraverement bien adapteacute pour deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de systegravemes bio-hybrides tels que lesaptamegraveres pressentis comme excellents candidats pour une nouvelle geacuteneacuteration de capteursLes aptamegraveres sont de courts brins drsquoADNARN pouvant se lier agrave leur cible avec une grandespeacutecificiteacute et affiniteacute Ils constituent pour cette raison drsquoexcellents capteurs Pourtant leurabsence des proceacutedeacutes industriels nous impose la complexiteacute de leur mise en oeuvre Noussommes en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces aptamegraveres et de lrsquoeffet deleur environnement sur leur proprieacuteteacutes (linkers moleacutecules de deacutetection)

Contexte

Lrsquoabsence des aptamegraverres des proceacutedeacutes industriels nous imposela complexiteacute de leur mise en oeuvre Le verrou principalrepose sur leur seacutelection in vivo ne tenant pas comptedes modifications chimiques requises pour leur inteacute-gration Dans le cadre de lrsquoutilisation des aptamegraveres au LAASpour des applications bio-puces nous utilisons les Modes Sta-tiques afin de cribler lrsquoimpact de modifications structuralesimposeacutees agrave un aptamegravere sur sa stabiliteacute biomeacutecanique Notreideacutee est que lrsquooutil Modes Statiques permet de deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de sys-tegravemes bio-hybrides tels que les aptamegraveres Nous sommes doncen en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces ap-tamegraveres et de lrsquoeffet de leur environnement sur leur proprieacuteteacutes

Reacutesultats

Nous avons amorceacute lrsquoeacutetude drsquoun complexe aptamegravere-thrombine dans lequel 2 aptamegraveressont utiliseacutes pour la capture et la deacutetection Nos premiers calculs sont axeacutes sur les proprieacute-teacutes drsquoun des 2 aptamegraveres Les calculs montrent notamment qursquoune fonctionnalisation par desspacers usuels (PEG poly-T) perturbe ses proprieacuteteacutes meacutecaniques alors qursquoune chaicircne alkylea une incidence mineure Ces travaux pionniers suggegraverent que la conception des capteursagrave aptamegraveres doit srsquoappuyer sur une modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique deacutedieacutee agrave cessystegravemes Nous envisageons agrave preacutesent de tester lrsquoeffet des spacers sur lrsquointeraction aptamegravere-cible mais aussi de modeacuteliser le comportement des aptamegraveres sur une surface Ces reacutesultats onteacuteteacute publieacutes dans Applied Physics Letters (2012) et ont fait lrsquoobjet drsquoune seacutelection pour VirtualJournal of Biological Physics Research (numeacutero du 1er mai 2012)

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

Oncologie structurale

Cas de lrsquooncoproteacuteine RAS

Mots-cleacutes GTPase mutation flexibiliteacute site catalytique mouvements fonctionnels

Reacutesumeacute Les meacutethodologies deacuteveloppeacutees peuvent bien entendu ecirctre appliqueacutees agrave des ques-tions plus traditionnelles de la biologie tels que les changements conformationnels lrsquoacti-viteacute enzymatique la reacutegulation des signaux intra-cellulaires Ce travail est meneacute en colla-boration avec des biologistes et des pharmacologues notamment dans ce cas avec lrsquoInstitutClaudius Reacutegaud de Toulouse aux cocircteacutes duquel nous sommes engageacutes sur le cas de la proteacuteineRAS Cette oncoproteacuteine est pressentie comme une cible de grand potentiel pour denouvelles theacuterapies les calculs sont nombreux (dynamique moleacuteculaires principalement)mais ne reacutepondent pas aux questions fondamentales (rocircle des mutations mouvements in-ternes et reacutegulation) Nous pensons que Flexible peut permettre drsquoapporter un nouveleacuteclairage sur ces points et travaillons en ce moment sur la caracteacuterisation du site cata-lytique de RAS et sur lrsquoeffet de mutations sur le meacutecanisme drsquohydrolyse du GTPqui est agrave la base de sa fonction et dont une activiteacute anormale conduit agrave la prolifeacuteration descellules tumorales

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• Curriculum Vitae
• Enseignement et responsabiliteacutes administratives
• Production scientifique
• Activiteacutes de recherche

Marie Brut - LAAS-CNRS IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat)

(a) Position du ligand (b) Fermeture induite des boucles

Simulation de lrsquoarriveacutee drsquoun ligand par application de forces drsquointeraction sur 4 sites de la proteacutease en confor-mation ouverte (en vert sur la figure (b) Le reacutesultat est la fermeture des boucles (en jaune sur la figure (b))

Dihydrofolate reacuteductase

Mots-cleacutes enzyme mouvement de boucles position des ligands mutations Modes Sta-tiques optimisation sous contrainte effet du ligand

Reacutesumeacute La meacutethode des Modes Statiques a eacuteteacute appliqueacutee aux mouvements de bouclesde la DHFR Les reacutesultats indiquent que les mouvements du backbone sont neacutecessairesagrave la communication entre domaines qui dirige les mouvements de boucles Nos calculs onteacutegalement montreacute qursquoen preacutesence du folate lrsquoensemble de la structure se rigidifie Des liaisonsintra et intermoleacuteculaires se forment stabilisant le complexe et favorisant la catalyse Lereacutesidu Ile14 en particulier permet drsquoajuster la position du folate pour effectuer le transfertde proton Des calculs avec I14A et I14V ont confirmeacute lrsquoimplication de sa chaicircne lateacuterale

Contexte

La dihydrofolate reacuteductase catalyse la reacuteduction du dihydrofolate en teacutetrahydrofolate neacutecessairedans la production de bases nucleacuteiques Son site actif est enfoui au coeur de 3 boucles Laboucle Met20 adopte 2 conformations selon la preacutesence des ligands permettant leurarrimage la catalyse (transfert hydride et protonation) et le relacircchement du produit Les liaisonshydrogegravene que Met20 eacutetablit avec son environnement varie selon sa conformation

Moteurs moleacuteculaires agrave ATP

Mots-cleacutes enzyme membranaire changements conformationnels effet du ligand ATP

Reacutesumeacute Les moteurs proteacuteiques agrave ATP que jrsquoai eacutetudieacutes durant mon seacutejour post-doctoralhydrolysent les moleacutecules drsquoadeacutenosine-triphosphate (ATP) et convertissent cette eacutenergie enchangements conformationnels complexes permettant le fonctionnement du moteur Jecherche agrave comprendre et agrave reproduire lese meacutecanismes de ces machines moleacuteculaires et enparticulier agrave eacutevaluer le rocircle de lrsquoATP dans les changements de conformations (Ca2+-ATPasefig A Myosine fig B Chaperonine Mm-Cpn fig C)

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IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Reacutesultats

Les Modes Statiques ont eacuteteacute utiliseacutes pour maximiserlrsquoouverturefermeture des liaisons H entre les bouclesLes reacutesultats montrent lrsquoexistence drsquoun reacuteseau tregraveslocal permettant la propagation du mouvementcorroborant la theacuteorie localized promoting motion Le reacutesidu Ile14 permet drsquoajuster la position dufolate permettant la catalyse Sa mutation par unealanine et une valine a confirmeacute le rocircle de sa chaicircnelateacuterale (J Phys Chem B (2011))

Contexte

Les ATPases sont de veacuteritables moteurs moleacuteculaires Leur meacutecanique est encore peu connuemais lrsquoATP est consideacutereacute comme le carburant de ces moteurs les activant lors de sa liaisonJe leur ai appliqueacute le nouveau modegravele (preacutesenteacute en IV21) permettant de simuler les effetsdrsquoajustements induits dans lrsquoespace des torsions et permettant drsquoatteindre les ampli-tudes neacutecessaires pour deacutecrire les mouvements des ATPases Lrsquoideacutee est drsquoappliquer une forcecarteacutesienne transformeacutee en force geacuteneacuteraliseacutee ou encore drsquointeacutegrer une contrainte surune distance comme une perturbation de lrsquoeacutenergie totale

Reacutesultats

Un excellent accord avec la conformation active est obtenu en appliquant des forceslocales au niveau des sites de liaison de lrsquoATP Il est remarquable que chaque mouvementde domaine vers sa position cible entraicircne une diminution du RMSD des autres domaines Dansle cas de la Ca2+-ATPase le mouvement du domaine cytoplasmique en direction de lrsquoATP suffitagrave replacer lrsquoensemble de la proteacuteine dans sa conformation active (structure E1 vers E2) Dansle cas de la Myosine II des mouvements extrecircmement locaux entraicircnent par amplification lemouvement du levier sur plus de 11Aring Au-delagrave de ces excellents reacutesultats cette meacutethode prouveqursquoun modegravele de torsions et de forces geacuteneacuteraliseacutees est particuliegraverement adapteacute agrave la modeacutelisationdes mouvements de grande amplitude des biomoleacutecules

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Marie Brut - LAAS-CNRS REacuteFEacuteRENCES

Reacutefeacuterences

[1] RJ Koopmans A Aggeli Curr Op Microbiol13 327-334 (2010)

[2] KA Carlson Curr Opin Chem Biol 6 447-452(2002)

[3] M Karplus MA McCammon Nature StructBiol 9 646-652 (2002)

[4] J Ma Structure 13 373-380 (2005)

[5] M Levitt C Sander P Stern J Mol Bio 181423-447 (1985)

[6] C Dupouy N Icheacute-Tarrat M-P Durrieu FRodriguez J-M Escudier A Vigroux AngewChem 118 3705-3709 (2006)

IV3 Activiteacutes et projets en cours

Contexte et Motivations

Maicirctriser la conception de dispositifs bio-hybrides couplant les systegravemes complexes fournispar la nature aux mateacuteriaux plus traditionnels des technologies neacutecessite une compreacutehensionfine des interactions tisseacutees entredans les biomoleacutecules et entre les biomoleacutecules etleur environnement La modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique est incontournable pourdeacutecripter et preacutedire ces meacutecanismes drsquoune complexiteacute sans preacuteceacutedent

Concernant les technologies classiques la modeacutelisation de processus complexes est bien eacutetablie une strateacutegie multi-eacutechelle associe du calcul ab initio pour comprendre la chimie des interactionseacuteleacutementaires du Monte Carlo cineacutetique pour simuler la croissance de nano-objets agrave lrsquoeacutechellemeacutesoscopique et enfin des techniques continues pour simuler les technologies drsquoeacutelaboration auniveau des reacuteacteurs de croissance Dans la perspective de lrsquointeacutegration de biomoleacuteculesdans les proceacutedeacutes ces strateacutegies doivent ecirctre eacutetendues agrave de nouveaux niveaux demodeacutelisation Crsquoest aujourdrsquohui le verrou le plus fondamental et compliqueacute agrave lever

Dans le strict domaine de la preacutediction des interactions en biologie ie le docking la principaledifficulteacute est lieacutee agrave la tregraves grande taille des systegravemes et au traitement des liaisonsfaibles qui font des biomoleacutecules des eacutedifices tregraves flexibles Deacuteterminer et introduirecette souplesse conformationnelle au moins partiellement dans un algorithme de docking esttoujours aussi probleacutematique Le nouvel obstacle est le traitement de leur interactionavec un environnement non biologique tregraves enclin agrave les modifier voire les deacutenaturer

Mes activiteacutes au sein du LAAS-CNRS reposent sur le deacuteveloppement drsquooutils innovantsdeacutedieacutes aux moleacutecules biologiques et bio-hybrides et pouvant accompagner les pro-ceacutedeacutes du laboratoire notamment les technologies ADN Jrsquoy poursuis les deacuteveloppe-ments de la meacutethode des Modes Statiques Lrsquoideacutee est de lrsquoutiliser directement afin drsquoexplorerles proprieacuteteacutes intrinsegraveques des moleacutecules en jeu mais aussi de lrsquoadapter dans une proceacute-dure de docking pour laquelle elle a eacuteteacute deacuteveloppeacutee A terme lrsquoobjectif est de deacutevelopper unebatterie drsquooutils permettant une veacuteritable ingeacutenierie moleacuteculaire in silico multi-eacutechelleaccompagnant les proceacutedeacutes technologiques du laboratoire Mes activiteacutes couvrent donc des as-pects meacutethodologiques mais aussi applicatifs puisque ces outils sont mis en oeuvre autourdrsquoapplications novatrices telles que les capteurs agrave aptamegraveres deacuteveloppeacutes par la suite

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Deacuteveloppements meacutethodologiques

La meacutethode des Modes Statiques permet de prendre en compte la flexibiliteacute des mo-leacutecules crsquoest-agrave-dire drsquoeacutetudier les changements conformationnels au travers des deacuteplacementsatomiques Sa force est de permettre lrsquoobtention en un seul calcul de lrsquoensemble des deacute-formations de la moleacutecule induites par lrsquoexcitation systeacutematique de tous les atomesdans toutes les directions Chaque mode statique traduit lrsquoeffet drsquoune excitation externeassimileacutee agrave une interaction intermoleacuteculaire il repreacutesente le champ de deacuteformation drsquounemoleacutecule Lrsquoextension des Modes Statiques aux Modes Geacuteneacuteraliseacutes doit permettre de mieux ap-preacutehender la flexibiliteacute de macromoleacutecules telles que les proteacuteines et de mettre en place uneproceacutedure de docking pour laquelle ils ont eacuteteacute conccedilus

11 Modes Geacuteneacuteraliseacutes

La meacutethode des Modes Statiques permet de deacuteterminer les deacuteformations moleacuteculairesdans une approximation harmonique Les Modes Statiques nous ont cependant permis de ladeacutepasser pour observer des changements de conformation des moleacutecules sous lrsquoaction de forcesexteacuterieures et drsquoaller vers le problegraveme du docking Cependant cette deacutemarche requiert unemultiplication du nombre de matrices de Modes Statiques pour tenir compte des effets nonlineacuteaires dus agrave lrsquoanharmoniciteacute Une deacutemarche plus judicieuse pour tenir compte des effetsanharmoniques consiste agrave partir drsquoune matrice hessienne diagonaliseacutee Les coordonneacutees carteacute-siennes sont alors remplaceacutees par des coordonneacutees geacuteneacuteraliseacutees au sens de Lagrange associeacutees agravedes Modes Geacuteneacuteraliseacutes Cette approche est inteacuteressante dans le cas des moleacutecules biologiquesconstitueacutees drsquoune chaicircne de base replieacutee par lrsquointermeacutediaire de chaicircnes lateacuterales On peut alorsconsideacuterer que lrsquoessentiel des variations drsquoeacutenergie aux tempeacuteratures ambiantes provient desvariations drsquoangles de torsions Dans ce cas la matrice hessienne se preacutesente degraves le deacutepart sousune forme diagonale Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes sont donc deacutefinis comme des mouvements detorsions peu deacutependantes les unes des autres

12 Docking

Les Modes Statiques ont eacuteteacute proposeacutes agrave des fins drsquointeacutegration de la flexibiliteacute dans les pro-ceacutedures de docking Comme nous venons de le voir leur extension aux Modes Geacuteneacuteraliseacutespermettra de mieux appreacutehender cette flexibiliteacute et drsquoexplorer les parties flexibles drsquoune mo-leacutecule par rapport agrave des parties plus rigides La principale perspective de deacuteveloppement lesinteacutegrant est donc algorithme de docking Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes seront calculeacutes tout au longdu processus drsquointeraction selon les forces creacuteeacutees entre sites permettant la prise en comptedes effets drsquoajustement induit ce qui repreacutesente un vrai deacutefi pour le docking Lesforces drsquointeraction en jeu permettent de calculer lrsquoeacutevolution des positions relatives des deuxmoleacutecules lrsquoune par rapport agrave lrsquoautre dans le sens drsquoune minimisation drsquoeacutenergie totale Au fil decette eacutevolution les forces intermoleacuteculaires srsquoexercant sur les sites drsquointeraction induisent desdeacuteformations en faisant appel aux modes preacute-stockeacutes La force de cette approche est que du-rant la proceacutedure de docking les seules variables dynamiques sont les coordonneacutees des atomesimpliqueacutes dans lrsquointeraction Les paramegravetres concernant les autres atomes sont contenus dansles modes preacute-calculeacutes Seules lrsquoeacutenergie et les forces drsquointeraction entre moleacutecules sont exprimeacuteesexplicitement pour toutes les connexions inter-atomiques En revanche les eacutenergies et forcesinternes des moleacutecules sont traiteacutees au travers des modes

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

2 Applications aux systegravemes bio-hybrides

Lrsquointeacutegration des biomoleacutecules entraicircne certaines questions comment les deacuteposer surune surface et les fonctionnaliser sans les deacutenaturer comment diriger leur seacutelectiviteacute comment diminuer leur complexiteacute tout en conservant leur speacutecificiteacute et leur fonction

Prenons le cas des aptamegraveres Outre des enjeux technologiques eacutevidents ces courts brins drsquoacidesnucleacuteiques preacutesentent plusieurs inteacuterecircts pour nos simulations i) leur petite taille facilite ledeacuteveloppement et la validation drsquoune nouvelle approche ii) leur grande seacutelectiviteacute met en jeuun reacuteseau complexe drsquointeractions faibles dont la deacutetermination est essentielle pour geacuterer laconception de dispositifs performants iii) leur comportement notamment dans un milieu nonbiologique nrsquoest pas suffisamment connu pour mener leur exploitation agrave un stade industrielIls constituent un vrai deacutefi auquel nous avons deacutecideacute de nous confronter Dans un premiertemps le systegraveme choisi est celui drsquoun capteur sandwich agrave 2 aptamegraveres Plusieurs verrousapparaissent deacutejagrave neacutecessitant un travail de modeacutelisation incontournable

bull Interaction aptamegravereproteacuteine

radicdeacuteformation et modification de lrsquoactiviteacute des partenaires lieacutee agrave lrsquointeraction

Lrsquointeraction avec un aptamegravere va-t-elle affecter celle du second

radicsurface drsquointeraction affiniteacute speacutecificiteacute

Comprendre lrsquointeraction pour aller vers lrsquooptimisation et le controcircle

bull Interaction substrataptamegravere

radiceffet du substrat sur le repliement de lrsquoaptamegravere sur lrsquoactiviteacute biologique

radicdensiteacute de greffage

Preacutevoir le comportement des biomoleacutecules agrave lrsquoapproche drsquoune surface

bull Influence du dispositif de deacutetection

radicchoix du linker

radicencombrement steacuterique effet de la moleacutecule de deacutetection sur le systegraveme

Guider la fonctionnalisation et lrsquoimmobilisation sur le surface

bull Vers lrsquooptimisation et la conception

radicdureacutee de vie de lrsquointeraction speacutecificiteacute stabiliteacute

radicrepliement tridimensionnel de lrsquoaptamegravere

Diminuer la taille tout en conservantameacuteliorant les proprieacuteteacutes

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Application aux moleacutecules bio-hybrides

Aptamegraveres pour la deacutetection

Mots-cleacutes aptamegraveres thrombine interactions ADNproteacuteines interactions bionon-bio

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil particuliegraverement bien adapteacute pour deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de systegravemes bio-hybrides tels que lesaptamegraveres pressentis comme excellents candidats pour une nouvelle geacuteneacuteration de capteursLes aptamegraveres sont de courts brins drsquoADNARN pouvant se lier agrave leur cible avec une grandespeacutecificiteacute et affiniteacute Ils constituent pour cette raison drsquoexcellents capteurs Pourtant leurabsence des proceacutedeacutes industriels nous impose la complexiteacute de leur mise en oeuvre Noussommes en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces aptamegraveres et de lrsquoeffet deleur environnement sur leur proprieacuteteacutes (linkers moleacutecules de deacutetection)

Contexte

Lrsquoabsence des aptamegraverres des proceacutedeacutes industriels nous imposela complexiteacute de leur mise en oeuvre Le verrou principalrepose sur leur seacutelection in vivo ne tenant pas comptedes modifications chimiques requises pour leur inteacute-gration Dans le cadre de lrsquoutilisation des aptamegraveres au LAASpour des applications bio-puces nous utilisons les Modes Sta-tiques afin de cribler lrsquoimpact de modifications structuralesimposeacutees agrave un aptamegravere sur sa stabiliteacute biomeacutecanique Notreideacutee est que lrsquooutil Modes Statiques permet de deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de sys-tegravemes bio-hybrides tels que les aptamegraveres Nous sommes doncen en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces ap-tamegraveres et de lrsquoeffet de leur environnement sur leur proprieacuteteacutes

Reacutesultats

Nous avons amorceacute lrsquoeacutetude drsquoun complexe aptamegravere-thrombine dans lequel 2 aptamegraveressont utiliseacutes pour la capture et la deacutetection Nos premiers calculs sont axeacutes sur les proprieacute-teacutes drsquoun des 2 aptamegraveres Les calculs montrent notamment qursquoune fonctionnalisation par desspacers usuels (PEG poly-T) perturbe ses proprieacuteteacutes meacutecaniques alors qursquoune chaicircne alkylea une incidence mineure Ces travaux pionniers suggegraverent que la conception des capteursagrave aptamegraveres doit srsquoappuyer sur une modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique deacutedieacutee agrave cessystegravemes Nous envisageons agrave preacutesent de tester lrsquoeffet des spacers sur lrsquointeraction aptamegravere-cible mais aussi de modeacuteliser le comportement des aptamegraveres sur une surface Ces reacutesultats onteacuteteacute publieacutes dans Applied Physics Letters (2012) et ont fait lrsquoobjet drsquoune seacutelection pour VirtualJournal of Biological Physics Research (numeacutero du 1er mai 2012)

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

Oncologie structurale

Cas de lrsquooncoproteacuteine RAS

Mots-cleacutes GTPase mutation flexibiliteacute site catalytique mouvements fonctionnels

Reacutesumeacute Les meacutethodologies deacuteveloppeacutees peuvent bien entendu ecirctre appliqueacutees agrave des ques-tions plus traditionnelles de la biologie tels que les changements conformationnels lrsquoacti-viteacute enzymatique la reacutegulation des signaux intra-cellulaires Ce travail est meneacute en colla-boration avec des biologistes et des pharmacologues notamment dans ce cas avec lrsquoInstitutClaudius Reacutegaud de Toulouse aux cocircteacutes duquel nous sommes engageacutes sur le cas de la proteacuteineRAS Cette oncoproteacuteine est pressentie comme une cible de grand potentiel pour denouvelles theacuterapies les calculs sont nombreux (dynamique moleacuteculaires principalement)mais ne reacutepondent pas aux questions fondamentales (rocircle des mutations mouvements in-ternes et reacutegulation) Nous pensons que Flexible peut permettre drsquoapporter un nouveleacuteclairage sur ces points et travaillons en ce moment sur la caracteacuterisation du site cata-lytique de RAS et sur lrsquoeffet de mutations sur le meacutecanisme drsquohydrolyse du GTPqui est agrave la base de sa fonction et dont une activiteacute anormale conduit agrave la prolifeacuteration descellules tumorales

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• Curriculum Vitae
• Enseignement et responsabiliteacutes administratives
• Production scientifique
• Activiteacutes de recherche

IV2 Activiteacutes de recherche (Thegravese et Post-doctorat) Marie Brut - LAAS-CNRS

Reacutesultats

Les Modes Statiques ont eacuteteacute utiliseacutes pour maximiserlrsquoouverturefermeture des liaisons H entre les bouclesLes reacutesultats montrent lrsquoexistence drsquoun reacuteseau tregraveslocal permettant la propagation du mouvementcorroborant la theacuteorie localized promoting motion Le reacutesidu Ile14 permet drsquoajuster la position dufolate permettant la catalyse Sa mutation par unealanine et une valine a confirmeacute le rocircle de sa chaicircnelateacuterale (J Phys Chem B (2011))

Contexte

Les ATPases sont de veacuteritables moteurs moleacuteculaires Leur meacutecanique est encore peu connuemais lrsquoATP est consideacutereacute comme le carburant de ces moteurs les activant lors de sa liaisonJe leur ai appliqueacute le nouveau modegravele (preacutesenteacute en IV21) permettant de simuler les effetsdrsquoajustements induits dans lrsquoespace des torsions et permettant drsquoatteindre les ampli-tudes neacutecessaires pour deacutecrire les mouvements des ATPases Lrsquoideacutee est drsquoappliquer une forcecarteacutesienne transformeacutee en force geacuteneacuteraliseacutee ou encore drsquointeacutegrer une contrainte surune distance comme une perturbation de lrsquoeacutenergie totale

Reacutesultats

Un excellent accord avec la conformation active est obtenu en appliquant des forceslocales au niveau des sites de liaison de lrsquoATP Il est remarquable que chaque mouvementde domaine vers sa position cible entraicircne une diminution du RMSD des autres domaines Dansle cas de la Ca2+-ATPase le mouvement du domaine cytoplasmique en direction de lrsquoATP suffitagrave replacer lrsquoensemble de la proteacuteine dans sa conformation active (structure E1 vers E2) Dansle cas de la Myosine II des mouvements extrecircmement locaux entraicircnent par amplification lemouvement du levier sur plus de 11Aring Au-delagrave de ces excellents reacutesultats cette meacutethode prouveqursquoun modegravele de torsions et de forces geacuteneacuteraliseacutees est particuliegraverement adapteacute agrave la modeacutelisationdes mouvements de grande amplitude des biomoleacutecules

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Marie Brut - LAAS-CNRS REacuteFEacuteRENCES

Reacutefeacuterences

[1] RJ Koopmans A Aggeli Curr Op Microbiol13 327-334 (2010)

[2] KA Carlson Curr Opin Chem Biol 6 447-452(2002)

[3] M Karplus MA McCammon Nature StructBiol 9 646-652 (2002)

[4] J Ma Structure 13 373-380 (2005)

[5] M Levitt C Sander P Stern J Mol Bio 181423-447 (1985)

[6] C Dupouy N Icheacute-Tarrat M-P Durrieu FRodriguez J-M Escudier A Vigroux AngewChem 118 3705-3709 (2006)

IV3 Activiteacutes et projets en cours

Contexte et Motivations

Maicirctriser la conception de dispositifs bio-hybrides couplant les systegravemes complexes fournispar la nature aux mateacuteriaux plus traditionnels des technologies neacutecessite une compreacutehensionfine des interactions tisseacutees entredans les biomoleacutecules et entre les biomoleacutecules etleur environnement La modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique est incontournable pourdeacutecripter et preacutedire ces meacutecanismes drsquoune complexiteacute sans preacuteceacutedent

Concernant les technologies classiques la modeacutelisation de processus complexes est bien eacutetablie une strateacutegie multi-eacutechelle associe du calcul ab initio pour comprendre la chimie des interactionseacuteleacutementaires du Monte Carlo cineacutetique pour simuler la croissance de nano-objets agrave lrsquoeacutechellemeacutesoscopique et enfin des techniques continues pour simuler les technologies drsquoeacutelaboration auniveau des reacuteacteurs de croissance Dans la perspective de lrsquointeacutegration de biomoleacuteculesdans les proceacutedeacutes ces strateacutegies doivent ecirctre eacutetendues agrave de nouveaux niveaux demodeacutelisation Crsquoest aujourdrsquohui le verrou le plus fondamental et compliqueacute agrave lever

Dans le strict domaine de la preacutediction des interactions en biologie ie le docking la principaledifficulteacute est lieacutee agrave la tregraves grande taille des systegravemes et au traitement des liaisonsfaibles qui font des biomoleacutecules des eacutedifices tregraves flexibles Deacuteterminer et introduirecette souplesse conformationnelle au moins partiellement dans un algorithme de docking esttoujours aussi probleacutematique Le nouvel obstacle est le traitement de leur interactionavec un environnement non biologique tregraves enclin agrave les modifier voire les deacutenaturer

Mes activiteacutes au sein du LAAS-CNRS reposent sur le deacuteveloppement drsquooutils innovantsdeacutedieacutes aux moleacutecules biologiques et bio-hybrides et pouvant accompagner les pro-ceacutedeacutes du laboratoire notamment les technologies ADN Jrsquoy poursuis les deacuteveloppe-ments de la meacutethode des Modes Statiques Lrsquoideacutee est de lrsquoutiliser directement afin drsquoexplorerles proprieacuteteacutes intrinsegraveques des moleacutecules en jeu mais aussi de lrsquoadapter dans une proceacute-dure de docking pour laquelle elle a eacuteteacute deacuteveloppeacutee A terme lrsquoobjectif est de deacutevelopper unebatterie drsquooutils permettant une veacuteritable ingeacutenierie moleacuteculaire in silico multi-eacutechelleaccompagnant les proceacutedeacutes technologiques du laboratoire Mes activiteacutes couvrent donc des as-pects meacutethodologiques mais aussi applicatifs puisque ces outils sont mis en oeuvre autourdrsquoapplications novatrices telles que les capteurs agrave aptamegraveres deacuteveloppeacutes par la suite

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Deacuteveloppements meacutethodologiques

La meacutethode des Modes Statiques permet de prendre en compte la flexibiliteacute des mo-leacutecules crsquoest-agrave-dire drsquoeacutetudier les changements conformationnels au travers des deacuteplacementsatomiques Sa force est de permettre lrsquoobtention en un seul calcul de lrsquoensemble des deacute-formations de la moleacutecule induites par lrsquoexcitation systeacutematique de tous les atomesdans toutes les directions Chaque mode statique traduit lrsquoeffet drsquoune excitation externeassimileacutee agrave une interaction intermoleacuteculaire il repreacutesente le champ de deacuteformation drsquounemoleacutecule Lrsquoextension des Modes Statiques aux Modes Geacuteneacuteraliseacutes doit permettre de mieux ap-preacutehender la flexibiliteacute de macromoleacutecules telles que les proteacuteines et de mettre en place uneproceacutedure de docking pour laquelle ils ont eacuteteacute conccedilus

11 Modes Geacuteneacuteraliseacutes

La meacutethode des Modes Statiques permet de deacuteterminer les deacuteformations moleacuteculairesdans une approximation harmonique Les Modes Statiques nous ont cependant permis de ladeacutepasser pour observer des changements de conformation des moleacutecules sous lrsquoaction de forcesexteacuterieures et drsquoaller vers le problegraveme du docking Cependant cette deacutemarche requiert unemultiplication du nombre de matrices de Modes Statiques pour tenir compte des effets nonlineacuteaires dus agrave lrsquoanharmoniciteacute Une deacutemarche plus judicieuse pour tenir compte des effetsanharmoniques consiste agrave partir drsquoune matrice hessienne diagonaliseacutee Les coordonneacutees carteacute-siennes sont alors remplaceacutees par des coordonneacutees geacuteneacuteraliseacutees au sens de Lagrange associeacutees agravedes Modes Geacuteneacuteraliseacutes Cette approche est inteacuteressante dans le cas des moleacutecules biologiquesconstitueacutees drsquoune chaicircne de base replieacutee par lrsquointermeacutediaire de chaicircnes lateacuterales On peut alorsconsideacuterer que lrsquoessentiel des variations drsquoeacutenergie aux tempeacuteratures ambiantes provient desvariations drsquoangles de torsions Dans ce cas la matrice hessienne se preacutesente degraves le deacutepart sousune forme diagonale Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes sont donc deacutefinis comme des mouvements detorsions peu deacutependantes les unes des autres

12 Docking

Les Modes Statiques ont eacuteteacute proposeacutes agrave des fins drsquointeacutegration de la flexibiliteacute dans les pro-ceacutedures de docking Comme nous venons de le voir leur extension aux Modes Geacuteneacuteraliseacutespermettra de mieux appreacutehender cette flexibiliteacute et drsquoexplorer les parties flexibles drsquoune mo-leacutecule par rapport agrave des parties plus rigides La principale perspective de deacuteveloppement lesinteacutegrant est donc algorithme de docking Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes seront calculeacutes tout au longdu processus drsquointeraction selon les forces creacuteeacutees entre sites permettant la prise en comptedes effets drsquoajustement induit ce qui repreacutesente un vrai deacutefi pour le docking Lesforces drsquointeraction en jeu permettent de calculer lrsquoeacutevolution des positions relatives des deuxmoleacutecules lrsquoune par rapport agrave lrsquoautre dans le sens drsquoune minimisation drsquoeacutenergie totale Au fil decette eacutevolution les forces intermoleacuteculaires srsquoexercant sur les sites drsquointeraction induisent desdeacuteformations en faisant appel aux modes preacute-stockeacutes La force de cette approche est que du-rant la proceacutedure de docking les seules variables dynamiques sont les coordonneacutees des atomesimpliqueacutes dans lrsquointeraction Les paramegravetres concernant les autres atomes sont contenus dansles modes preacute-calculeacutes Seules lrsquoeacutenergie et les forces drsquointeraction entre moleacutecules sont exprimeacuteesexplicitement pour toutes les connexions inter-atomiques En revanche les eacutenergies et forcesinternes des moleacutecules sont traiteacutees au travers des modes

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

2 Applications aux systegravemes bio-hybrides

Lrsquointeacutegration des biomoleacutecules entraicircne certaines questions comment les deacuteposer surune surface et les fonctionnaliser sans les deacutenaturer comment diriger leur seacutelectiviteacute comment diminuer leur complexiteacute tout en conservant leur speacutecificiteacute et leur fonction

Prenons le cas des aptamegraveres Outre des enjeux technologiques eacutevidents ces courts brins drsquoacidesnucleacuteiques preacutesentent plusieurs inteacuterecircts pour nos simulations i) leur petite taille facilite ledeacuteveloppement et la validation drsquoune nouvelle approche ii) leur grande seacutelectiviteacute met en jeuun reacuteseau complexe drsquointeractions faibles dont la deacutetermination est essentielle pour geacuterer laconception de dispositifs performants iii) leur comportement notamment dans un milieu nonbiologique nrsquoest pas suffisamment connu pour mener leur exploitation agrave un stade industrielIls constituent un vrai deacutefi auquel nous avons deacutecideacute de nous confronter Dans un premiertemps le systegraveme choisi est celui drsquoun capteur sandwich agrave 2 aptamegraveres Plusieurs verrousapparaissent deacutejagrave neacutecessitant un travail de modeacutelisation incontournable

bull Interaction aptamegravereproteacuteine

radicdeacuteformation et modification de lrsquoactiviteacute des partenaires lieacutee agrave lrsquointeraction

Lrsquointeraction avec un aptamegravere va-t-elle affecter celle du second

radicsurface drsquointeraction affiniteacute speacutecificiteacute

Comprendre lrsquointeraction pour aller vers lrsquooptimisation et le controcircle

bull Interaction substrataptamegravere

radiceffet du substrat sur le repliement de lrsquoaptamegravere sur lrsquoactiviteacute biologique

radicdensiteacute de greffage

Preacutevoir le comportement des biomoleacutecules agrave lrsquoapproche drsquoune surface

bull Influence du dispositif de deacutetection

radicchoix du linker

radicencombrement steacuterique effet de la moleacutecule de deacutetection sur le systegraveme

Guider la fonctionnalisation et lrsquoimmobilisation sur le surface

bull Vers lrsquooptimisation et la conception

radicdureacutee de vie de lrsquointeraction speacutecificiteacute stabiliteacute

radicrepliement tridimensionnel de lrsquoaptamegravere

Diminuer la taille tout en conservantameacuteliorant les proprieacuteteacutes

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Application aux moleacutecules bio-hybrides

Aptamegraveres pour la deacutetection

Mots-cleacutes aptamegraveres thrombine interactions ADNproteacuteines interactions bionon-bio

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil particuliegraverement bien adapteacute pour deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de systegravemes bio-hybrides tels que lesaptamegraveres pressentis comme excellents candidats pour une nouvelle geacuteneacuteration de capteursLes aptamegraveres sont de courts brins drsquoADNARN pouvant se lier agrave leur cible avec une grandespeacutecificiteacute et affiniteacute Ils constituent pour cette raison drsquoexcellents capteurs Pourtant leurabsence des proceacutedeacutes industriels nous impose la complexiteacute de leur mise en oeuvre Noussommes en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces aptamegraveres et de lrsquoeffet deleur environnement sur leur proprieacuteteacutes (linkers moleacutecules de deacutetection)

Contexte

Lrsquoabsence des aptamegraverres des proceacutedeacutes industriels nous imposela complexiteacute de leur mise en oeuvre Le verrou principalrepose sur leur seacutelection in vivo ne tenant pas comptedes modifications chimiques requises pour leur inteacute-gration Dans le cadre de lrsquoutilisation des aptamegraveres au LAASpour des applications bio-puces nous utilisons les Modes Sta-tiques afin de cribler lrsquoimpact de modifications structuralesimposeacutees agrave un aptamegravere sur sa stabiliteacute biomeacutecanique Notreideacutee est que lrsquooutil Modes Statiques permet de deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de sys-tegravemes bio-hybrides tels que les aptamegraveres Nous sommes doncen en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces ap-tamegraveres et de lrsquoeffet de leur environnement sur leur proprieacuteteacutes

Reacutesultats

Nous avons amorceacute lrsquoeacutetude drsquoun complexe aptamegravere-thrombine dans lequel 2 aptamegraveressont utiliseacutes pour la capture et la deacutetection Nos premiers calculs sont axeacutes sur les proprieacute-teacutes drsquoun des 2 aptamegraveres Les calculs montrent notamment qursquoune fonctionnalisation par desspacers usuels (PEG poly-T) perturbe ses proprieacuteteacutes meacutecaniques alors qursquoune chaicircne alkylea une incidence mineure Ces travaux pionniers suggegraverent que la conception des capteursagrave aptamegraveres doit srsquoappuyer sur une modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique deacutedieacutee agrave cessystegravemes Nous envisageons agrave preacutesent de tester lrsquoeffet des spacers sur lrsquointeraction aptamegravere-cible mais aussi de modeacuteliser le comportement des aptamegraveres sur une surface Ces reacutesultats onteacuteteacute publieacutes dans Applied Physics Letters (2012) et ont fait lrsquoobjet drsquoune seacutelection pour VirtualJournal of Biological Physics Research (numeacutero du 1er mai 2012)

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

Oncologie structurale

Cas de lrsquooncoproteacuteine RAS

Mots-cleacutes GTPase mutation flexibiliteacute site catalytique mouvements fonctionnels

Reacutesumeacute Les meacutethodologies deacuteveloppeacutees peuvent bien entendu ecirctre appliqueacutees agrave des ques-tions plus traditionnelles de la biologie tels que les changements conformationnels lrsquoacti-viteacute enzymatique la reacutegulation des signaux intra-cellulaires Ce travail est meneacute en colla-boration avec des biologistes et des pharmacologues notamment dans ce cas avec lrsquoInstitutClaudius Reacutegaud de Toulouse aux cocircteacutes duquel nous sommes engageacutes sur le cas de la proteacuteineRAS Cette oncoproteacuteine est pressentie comme une cible de grand potentiel pour denouvelles theacuterapies les calculs sont nombreux (dynamique moleacuteculaires principalement)mais ne reacutepondent pas aux questions fondamentales (rocircle des mutations mouvements in-ternes et reacutegulation) Nous pensons que Flexible peut permettre drsquoapporter un nouveleacuteclairage sur ces points et travaillons en ce moment sur la caracteacuterisation du site cata-lytique de RAS et sur lrsquoeffet de mutations sur le meacutecanisme drsquohydrolyse du GTPqui est agrave la base de sa fonction et dont une activiteacute anormale conduit agrave la prolifeacuteration descellules tumorales

17

• Curriculum Vitae
• Enseignement et responsabiliteacutes administratives
• Production scientifique
• Activiteacutes de recherche

Marie Brut - LAAS-CNRS REacuteFEacuteRENCES

Reacutefeacuterences

[1] RJ Koopmans A Aggeli Curr Op Microbiol13 327-334 (2010)

[2] KA Carlson Curr Opin Chem Biol 6 447-452(2002)

[3] M Karplus MA McCammon Nature StructBiol 9 646-652 (2002)

[4] J Ma Structure 13 373-380 (2005)

[5] M Levitt C Sander P Stern J Mol Bio 181423-447 (1985)

[6] C Dupouy N Icheacute-Tarrat M-P Durrieu FRodriguez J-M Escudier A Vigroux AngewChem 118 3705-3709 (2006)

IV3 Activiteacutes et projets en cours

Contexte et Motivations

Maicirctriser la conception de dispositifs bio-hybrides couplant les systegravemes complexes fournispar la nature aux mateacuteriaux plus traditionnels des technologies neacutecessite une compreacutehensionfine des interactions tisseacutees entredans les biomoleacutecules et entre les biomoleacutecules etleur environnement La modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique est incontournable pourdeacutecripter et preacutedire ces meacutecanismes drsquoune complexiteacute sans preacuteceacutedent

Concernant les technologies classiques la modeacutelisation de processus complexes est bien eacutetablie une strateacutegie multi-eacutechelle associe du calcul ab initio pour comprendre la chimie des interactionseacuteleacutementaires du Monte Carlo cineacutetique pour simuler la croissance de nano-objets agrave lrsquoeacutechellemeacutesoscopique et enfin des techniques continues pour simuler les technologies drsquoeacutelaboration auniveau des reacuteacteurs de croissance Dans la perspective de lrsquointeacutegration de biomoleacuteculesdans les proceacutedeacutes ces strateacutegies doivent ecirctre eacutetendues agrave de nouveaux niveaux demodeacutelisation Crsquoest aujourdrsquohui le verrou le plus fondamental et compliqueacute agrave lever

Dans le strict domaine de la preacutediction des interactions en biologie ie le docking la principaledifficulteacute est lieacutee agrave la tregraves grande taille des systegravemes et au traitement des liaisonsfaibles qui font des biomoleacutecules des eacutedifices tregraves flexibles Deacuteterminer et introduirecette souplesse conformationnelle au moins partiellement dans un algorithme de docking esttoujours aussi probleacutematique Le nouvel obstacle est le traitement de leur interactionavec un environnement non biologique tregraves enclin agrave les modifier voire les deacutenaturer

Mes activiteacutes au sein du LAAS-CNRS reposent sur le deacuteveloppement drsquooutils innovantsdeacutedieacutes aux moleacutecules biologiques et bio-hybrides et pouvant accompagner les pro-ceacutedeacutes du laboratoire notamment les technologies ADN Jrsquoy poursuis les deacuteveloppe-ments de la meacutethode des Modes Statiques Lrsquoideacutee est de lrsquoutiliser directement afin drsquoexplorerles proprieacuteteacutes intrinsegraveques des moleacutecules en jeu mais aussi de lrsquoadapter dans une proceacute-dure de docking pour laquelle elle a eacuteteacute deacuteveloppeacutee A terme lrsquoobjectif est de deacutevelopper unebatterie drsquooutils permettant une veacuteritable ingeacutenierie moleacuteculaire in silico multi-eacutechelleaccompagnant les proceacutedeacutes technologiques du laboratoire Mes activiteacutes couvrent donc des as-pects meacutethodologiques mais aussi applicatifs puisque ces outils sont mis en oeuvre autourdrsquoapplications novatrices telles que les capteurs agrave aptamegraveres deacuteveloppeacutes par la suite

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Deacuteveloppements meacutethodologiques

La meacutethode des Modes Statiques permet de prendre en compte la flexibiliteacute des mo-leacutecules crsquoest-agrave-dire drsquoeacutetudier les changements conformationnels au travers des deacuteplacementsatomiques Sa force est de permettre lrsquoobtention en un seul calcul de lrsquoensemble des deacute-formations de la moleacutecule induites par lrsquoexcitation systeacutematique de tous les atomesdans toutes les directions Chaque mode statique traduit lrsquoeffet drsquoune excitation externeassimileacutee agrave une interaction intermoleacuteculaire il repreacutesente le champ de deacuteformation drsquounemoleacutecule Lrsquoextension des Modes Statiques aux Modes Geacuteneacuteraliseacutes doit permettre de mieux ap-preacutehender la flexibiliteacute de macromoleacutecules telles que les proteacuteines et de mettre en place uneproceacutedure de docking pour laquelle ils ont eacuteteacute conccedilus

11 Modes Geacuteneacuteraliseacutes

La meacutethode des Modes Statiques permet de deacuteterminer les deacuteformations moleacuteculairesdans une approximation harmonique Les Modes Statiques nous ont cependant permis de ladeacutepasser pour observer des changements de conformation des moleacutecules sous lrsquoaction de forcesexteacuterieures et drsquoaller vers le problegraveme du docking Cependant cette deacutemarche requiert unemultiplication du nombre de matrices de Modes Statiques pour tenir compte des effets nonlineacuteaires dus agrave lrsquoanharmoniciteacute Une deacutemarche plus judicieuse pour tenir compte des effetsanharmoniques consiste agrave partir drsquoune matrice hessienne diagonaliseacutee Les coordonneacutees carteacute-siennes sont alors remplaceacutees par des coordonneacutees geacuteneacuteraliseacutees au sens de Lagrange associeacutees agravedes Modes Geacuteneacuteraliseacutes Cette approche est inteacuteressante dans le cas des moleacutecules biologiquesconstitueacutees drsquoune chaicircne de base replieacutee par lrsquointermeacutediaire de chaicircnes lateacuterales On peut alorsconsideacuterer que lrsquoessentiel des variations drsquoeacutenergie aux tempeacuteratures ambiantes provient desvariations drsquoangles de torsions Dans ce cas la matrice hessienne se preacutesente degraves le deacutepart sousune forme diagonale Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes sont donc deacutefinis comme des mouvements detorsions peu deacutependantes les unes des autres

12 Docking

Les Modes Statiques ont eacuteteacute proposeacutes agrave des fins drsquointeacutegration de la flexibiliteacute dans les pro-ceacutedures de docking Comme nous venons de le voir leur extension aux Modes Geacuteneacuteraliseacutespermettra de mieux appreacutehender cette flexibiliteacute et drsquoexplorer les parties flexibles drsquoune mo-leacutecule par rapport agrave des parties plus rigides La principale perspective de deacuteveloppement lesinteacutegrant est donc algorithme de docking Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes seront calculeacutes tout au longdu processus drsquointeraction selon les forces creacuteeacutees entre sites permettant la prise en comptedes effets drsquoajustement induit ce qui repreacutesente un vrai deacutefi pour le docking Lesforces drsquointeraction en jeu permettent de calculer lrsquoeacutevolution des positions relatives des deuxmoleacutecules lrsquoune par rapport agrave lrsquoautre dans le sens drsquoune minimisation drsquoeacutenergie totale Au fil decette eacutevolution les forces intermoleacuteculaires srsquoexercant sur les sites drsquointeraction induisent desdeacuteformations en faisant appel aux modes preacute-stockeacutes La force de cette approche est que du-rant la proceacutedure de docking les seules variables dynamiques sont les coordonneacutees des atomesimpliqueacutes dans lrsquointeraction Les paramegravetres concernant les autres atomes sont contenus dansles modes preacute-calculeacutes Seules lrsquoeacutenergie et les forces drsquointeraction entre moleacutecules sont exprimeacuteesexplicitement pour toutes les connexions inter-atomiques En revanche les eacutenergies et forcesinternes des moleacutecules sont traiteacutees au travers des modes

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

2 Applications aux systegravemes bio-hybrides

Lrsquointeacutegration des biomoleacutecules entraicircne certaines questions comment les deacuteposer surune surface et les fonctionnaliser sans les deacutenaturer comment diriger leur seacutelectiviteacute comment diminuer leur complexiteacute tout en conservant leur speacutecificiteacute et leur fonction

Prenons le cas des aptamegraveres Outre des enjeux technologiques eacutevidents ces courts brins drsquoacidesnucleacuteiques preacutesentent plusieurs inteacuterecircts pour nos simulations i) leur petite taille facilite ledeacuteveloppement et la validation drsquoune nouvelle approche ii) leur grande seacutelectiviteacute met en jeuun reacuteseau complexe drsquointeractions faibles dont la deacutetermination est essentielle pour geacuterer laconception de dispositifs performants iii) leur comportement notamment dans un milieu nonbiologique nrsquoest pas suffisamment connu pour mener leur exploitation agrave un stade industrielIls constituent un vrai deacutefi auquel nous avons deacutecideacute de nous confronter Dans un premiertemps le systegraveme choisi est celui drsquoun capteur sandwich agrave 2 aptamegraveres Plusieurs verrousapparaissent deacutejagrave neacutecessitant un travail de modeacutelisation incontournable

bull Interaction aptamegravereproteacuteine

radicdeacuteformation et modification de lrsquoactiviteacute des partenaires lieacutee agrave lrsquointeraction

Lrsquointeraction avec un aptamegravere va-t-elle affecter celle du second

radicsurface drsquointeraction affiniteacute speacutecificiteacute

Comprendre lrsquointeraction pour aller vers lrsquooptimisation et le controcircle

bull Interaction substrataptamegravere

radiceffet du substrat sur le repliement de lrsquoaptamegravere sur lrsquoactiviteacute biologique

radicdensiteacute de greffage

Preacutevoir le comportement des biomoleacutecules agrave lrsquoapproche drsquoune surface

bull Influence du dispositif de deacutetection

radicchoix du linker

radicencombrement steacuterique effet de la moleacutecule de deacutetection sur le systegraveme

Guider la fonctionnalisation et lrsquoimmobilisation sur le surface

bull Vers lrsquooptimisation et la conception

radicdureacutee de vie de lrsquointeraction speacutecificiteacute stabiliteacute

radicrepliement tridimensionnel de lrsquoaptamegravere

Diminuer la taille tout en conservantameacuteliorant les proprieacuteteacutes

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IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Application aux moleacutecules bio-hybrides

Aptamegraveres pour la deacutetection

Mots-cleacutes aptamegraveres thrombine interactions ADNproteacuteines interactions bionon-bio

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil particuliegraverement bien adapteacute pour deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de systegravemes bio-hybrides tels que lesaptamegraveres pressentis comme excellents candidats pour une nouvelle geacuteneacuteration de capteursLes aptamegraveres sont de courts brins drsquoADNARN pouvant se lier agrave leur cible avec une grandespeacutecificiteacute et affiniteacute Ils constituent pour cette raison drsquoexcellents capteurs Pourtant leurabsence des proceacutedeacutes industriels nous impose la complexiteacute de leur mise en oeuvre Noussommes en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces aptamegraveres et de lrsquoeffet deleur environnement sur leur proprieacuteteacutes (linkers moleacutecules de deacutetection)

Contexte

Lrsquoabsence des aptamegraverres des proceacutedeacutes industriels nous imposela complexiteacute de leur mise en oeuvre Le verrou principalrepose sur leur seacutelection in vivo ne tenant pas comptedes modifications chimiques requises pour leur inteacute-gration Dans le cadre de lrsquoutilisation des aptamegraveres au LAASpour des applications bio-puces nous utilisons les Modes Sta-tiques afin de cribler lrsquoimpact de modifications structuralesimposeacutees agrave un aptamegravere sur sa stabiliteacute biomeacutecanique Notreideacutee est que lrsquooutil Modes Statiques permet de deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de sys-tegravemes bio-hybrides tels que les aptamegraveres Nous sommes doncen en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces ap-tamegraveres et de lrsquoeffet de leur environnement sur leur proprieacuteteacutes

Reacutesultats

Nous avons amorceacute lrsquoeacutetude drsquoun complexe aptamegravere-thrombine dans lequel 2 aptamegraveressont utiliseacutes pour la capture et la deacutetection Nos premiers calculs sont axeacutes sur les proprieacute-teacutes drsquoun des 2 aptamegraveres Les calculs montrent notamment qursquoune fonctionnalisation par desspacers usuels (PEG poly-T) perturbe ses proprieacuteteacutes meacutecaniques alors qursquoune chaicircne alkylea une incidence mineure Ces travaux pionniers suggegraverent que la conception des capteursagrave aptamegraveres doit srsquoappuyer sur une modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique deacutedieacutee agrave cessystegravemes Nous envisageons agrave preacutesent de tester lrsquoeffet des spacers sur lrsquointeraction aptamegravere-cible mais aussi de modeacuteliser le comportement des aptamegraveres sur une surface Ces reacutesultats onteacuteteacute publieacutes dans Applied Physics Letters (2012) et ont fait lrsquoobjet drsquoune seacutelection pour VirtualJournal of Biological Physics Research (numeacutero du 1er mai 2012)

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

Oncologie structurale

Cas de lrsquooncoproteacuteine RAS

Mots-cleacutes GTPase mutation flexibiliteacute site catalytique mouvements fonctionnels

Reacutesumeacute Les meacutethodologies deacuteveloppeacutees peuvent bien entendu ecirctre appliqueacutees agrave des ques-tions plus traditionnelles de la biologie tels que les changements conformationnels lrsquoacti-viteacute enzymatique la reacutegulation des signaux intra-cellulaires Ce travail est meneacute en colla-boration avec des biologistes et des pharmacologues notamment dans ce cas avec lrsquoInstitutClaudius Reacutegaud de Toulouse aux cocircteacutes duquel nous sommes engageacutes sur le cas de la proteacuteineRAS Cette oncoproteacuteine est pressentie comme une cible de grand potentiel pour denouvelles theacuterapies les calculs sont nombreux (dynamique moleacuteculaires principalement)mais ne reacutepondent pas aux questions fondamentales (rocircle des mutations mouvements in-ternes et reacutegulation) Nous pensons que Flexible peut permettre drsquoapporter un nouveleacuteclairage sur ces points et travaillons en ce moment sur la caracteacuterisation du site cata-lytique de RAS et sur lrsquoeffet de mutations sur le meacutecanisme drsquohydrolyse du GTPqui est agrave la base de sa fonction et dont une activiteacute anormale conduit agrave la prolifeacuteration descellules tumorales

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• Curriculum Vitae
• Enseignement et responsabiliteacutes administratives
• Production scientifique
• Activiteacutes de recherche

IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Deacuteveloppements meacutethodologiques

La meacutethode des Modes Statiques permet de prendre en compte la flexibiliteacute des mo-leacutecules crsquoest-agrave-dire drsquoeacutetudier les changements conformationnels au travers des deacuteplacementsatomiques Sa force est de permettre lrsquoobtention en un seul calcul de lrsquoensemble des deacute-formations de la moleacutecule induites par lrsquoexcitation systeacutematique de tous les atomesdans toutes les directions Chaque mode statique traduit lrsquoeffet drsquoune excitation externeassimileacutee agrave une interaction intermoleacuteculaire il repreacutesente le champ de deacuteformation drsquounemoleacutecule Lrsquoextension des Modes Statiques aux Modes Geacuteneacuteraliseacutes doit permettre de mieux ap-preacutehender la flexibiliteacute de macromoleacutecules telles que les proteacuteines et de mettre en place uneproceacutedure de docking pour laquelle ils ont eacuteteacute conccedilus

11 Modes Geacuteneacuteraliseacutes

La meacutethode des Modes Statiques permet de deacuteterminer les deacuteformations moleacuteculairesdans une approximation harmonique Les Modes Statiques nous ont cependant permis de ladeacutepasser pour observer des changements de conformation des moleacutecules sous lrsquoaction de forcesexteacuterieures et drsquoaller vers le problegraveme du docking Cependant cette deacutemarche requiert unemultiplication du nombre de matrices de Modes Statiques pour tenir compte des effets nonlineacuteaires dus agrave lrsquoanharmoniciteacute Une deacutemarche plus judicieuse pour tenir compte des effetsanharmoniques consiste agrave partir drsquoune matrice hessienne diagonaliseacutee Les coordonneacutees carteacute-siennes sont alors remplaceacutees par des coordonneacutees geacuteneacuteraliseacutees au sens de Lagrange associeacutees agravedes Modes Geacuteneacuteraliseacutes Cette approche est inteacuteressante dans le cas des moleacutecules biologiquesconstitueacutees drsquoune chaicircne de base replieacutee par lrsquointermeacutediaire de chaicircnes lateacuterales On peut alorsconsideacuterer que lrsquoessentiel des variations drsquoeacutenergie aux tempeacuteratures ambiantes provient desvariations drsquoangles de torsions Dans ce cas la matrice hessienne se preacutesente degraves le deacutepart sousune forme diagonale Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes sont donc deacutefinis comme des mouvements detorsions peu deacutependantes les unes des autres

12 Docking

Les Modes Statiques ont eacuteteacute proposeacutes agrave des fins drsquointeacutegration de la flexibiliteacute dans les pro-ceacutedures de docking Comme nous venons de le voir leur extension aux Modes Geacuteneacuteraliseacutespermettra de mieux appreacutehender cette flexibiliteacute et drsquoexplorer les parties flexibles drsquoune mo-leacutecule par rapport agrave des parties plus rigides La principale perspective de deacuteveloppement lesinteacutegrant est donc algorithme de docking Les Modes Geacuteneacuteraliseacutes seront calculeacutes tout au longdu processus drsquointeraction selon les forces creacuteeacutees entre sites permettant la prise en comptedes effets drsquoajustement induit ce qui repreacutesente un vrai deacutefi pour le docking Lesforces drsquointeraction en jeu permettent de calculer lrsquoeacutevolution des positions relatives des deuxmoleacutecules lrsquoune par rapport agrave lrsquoautre dans le sens drsquoune minimisation drsquoeacutenergie totale Au fil decette eacutevolution les forces intermoleacuteculaires srsquoexercant sur les sites drsquointeraction induisent desdeacuteformations en faisant appel aux modes preacute-stockeacutes La force de cette approche est que du-rant la proceacutedure de docking les seules variables dynamiques sont les coordonneacutees des atomesimpliqueacutes dans lrsquointeraction Les paramegravetres concernant les autres atomes sont contenus dansles modes preacute-calculeacutes Seules lrsquoeacutenergie et les forces drsquointeraction entre moleacutecules sont exprimeacuteesexplicitement pour toutes les connexions inter-atomiques En revanche les eacutenergies et forcesinternes des moleacutecules sont traiteacutees au travers des modes

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

2 Applications aux systegravemes bio-hybrides

Lrsquointeacutegration des biomoleacutecules entraicircne certaines questions comment les deacuteposer surune surface et les fonctionnaliser sans les deacutenaturer comment diriger leur seacutelectiviteacute comment diminuer leur complexiteacute tout en conservant leur speacutecificiteacute et leur fonction

Prenons le cas des aptamegraveres Outre des enjeux technologiques eacutevidents ces courts brins drsquoacidesnucleacuteiques preacutesentent plusieurs inteacuterecircts pour nos simulations i) leur petite taille facilite ledeacuteveloppement et la validation drsquoune nouvelle approche ii) leur grande seacutelectiviteacute met en jeuun reacuteseau complexe drsquointeractions faibles dont la deacutetermination est essentielle pour geacuterer laconception de dispositifs performants iii) leur comportement notamment dans un milieu nonbiologique nrsquoest pas suffisamment connu pour mener leur exploitation agrave un stade industrielIls constituent un vrai deacutefi auquel nous avons deacutecideacute de nous confronter Dans un premiertemps le systegraveme choisi est celui drsquoun capteur sandwich agrave 2 aptamegraveres Plusieurs verrousapparaissent deacutejagrave neacutecessitant un travail de modeacutelisation incontournable

bull Interaction aptamegravereproteacuteine

radicdeacuteformation et modification de lrsquoactiviteacute des partenaires lieacutee agrave lrsquointeraction

Lrsquointeraction avec un aptamegravere va-t-elle affecter celle du second

radicsurface drsquointeraction affiniteacute speacutecificiteacute

Comprendre lrsquointeraction pour aller vers lrsquooptimisation et le controcircle

bull Interaction substrataptamegravere

radiceffet du substrat sur le repliement de lrsquoaptamegravere sur lrsquoactiviteacute biologique

radicdensiteacute de greffage

Preacutevoir le comportement des biomoleacutecules agrave lrsquoapproche drsquoune surface

bull Influence du dispositif de deacutetection

radicchoix du linker

radicencombrement steacuterique effet de la moleacutecule de deacutetection sur le systegraveme

Guider la fonctionnalisation et lrsquoimmobilisation sur le surface

bull Vers lrsquooptimisation et la conception

radicdureacutee de vie de lrsquointeraction speacutecificiteacute stabiliteacute

radicrepliement tridimensionnel de lrsquoaptamegravere

Diminuer la taille tout en conservantameacuteliorant les proprieacuteteacutes

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Application aux moleacutecules bio-hybrides

Aptamegraveres pour la deacutetection

Mots-cleacutes aptamegraveres thrombine interactions ADNproteacuteines interactions bionon-bio

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil particuliegraverement bien adapteacute pour deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de systegravemes bio-hybrides tels que lesaptamegraveres pressentis comme excellents candidats pour une nouvelle geacuteneacuteration de capteursLes aptamegraveres sont de courts brins drsquoADNARN pouvant se lier agrave leur cible avec une grandespeacutecificiteacute et affiniteacute Ils constituent pour cette raison drsquoexcellents capteurs Pourtant leurabsence des proceacutedeacutes industriels nous impose la complexiteacute de leur mise en oeuvre Noussommes en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces aptamegraveres et de lrsquoeffet deleur environnement sur leur proprieacuteteacutes (linkers moleacutecules de deacutetection)

Contexte

Lrsquoabsence des aptamegraverres des proceacutedeacutes industriels nous imposela complexiteacute de leur mise en oeuvre Le verrou principalrepose sur leur seacutelection in vivo ne tenant pas comptedes modifications chimiques requises pour leur inteacute-gration Dans le cadre de lrsquoutilisation des aptamegraveres au LAASpour des applications bio-puces nous utilisons les Modes Sta-tiques afin de cribler lrsquoimpact de modifications structuralesimposeacutees agrave un aptamegravere sur sa stabiliteacute biomeacutecanique Notreideacutee est que lrsquooutil Modes Statiques permet de deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de sys-tegravemes bio-hybrides tels que les aptamegraveres Nous sommes doncen en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces ap-tamegraveres et de lrsquoeffet de leur environnement sur leur proprieacuteteacutes

Reacutesultats

Nous avons amorceacute lrsquoeacutetude drsquoun complexe aptamegravere-thrombine dans lequel 2 aptamegraveressont utiliseacutes pour la capture et la deacutetection Nos premiers calculs sont axeacutes sur les proprieacute-teacutes drsquoun des 2 aptamegraveres Les calculs montrent notamment qursquoune fonctionnalisation par desspacers usuels (PEG poly-T) perturbe ses proprieacuteteacutes meacutecaniques alors qursquoune chaicircne alkylea une incidence mineure Ces travaux pionniers suggegraverent que la conception des capteursagrave aptamegraveres doit srsquoappuyer sur une modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique deacutedieacutee agrave cessystegravemes Nous envisageons agrave preacutesent de tester lrsquoeffet des spacers sur lrsquointeraction aptamegravere-cible mais aussi de modeacuteliser le comportement des aptamegraveres sur une surface Ces reacutesultats onteacuteteacute publieacutes dans Applied Physics Letters (2012) et ont fait lrsquoobjet drsquoune seacutelection pour VirtualJournal of Biological Physics Research (numeacutero du 1er mai 2012)

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

Oncologie structurale

Cas de lrsquooncoproteacuteine RAS

Mots-cleacutes GTPase mutation flexibiliteacute site catalytique mouvements fonctionnels

Reacutesumeacute Les meacutethodologies deacuteveloppeacutees peuvent bien entendu ecirctre appliqueacutees agrave des ques-tions plus traditionnelles de la biologie tels que les changements conformationnels lrsquoacti-viteacute enzymatique la reacutegulation des signaux intra-cellulaires Ce travail est meneacute en colla-boration avec des biologistes et des pharmacologues notamment dans ce cas avec lrsquoInstitutClaudius Reacutegaud de Toulouse aux cocircteacutes duquel nous sommes engageacutes sur le cas de la proteacuteineRAS Cette oncoproteacuteine est pressentie comme une cible de grand potentiel pour denouvelles theacuterapies les calculs sont nombreux (dynamique moleacuteculaires principalement)mais ne reacutepondent pas aux questions fondamentales (rocircle des mutations mouvements in-ternes et reacutegulation) Nous pensons que Flexible peut permettre drsquoapporter un nouveleacuteclairage sur ces points et travaillons en ce moment sur la caracteacuterisation du site cata-lytique de RAS et sur lrsquoeffet de mutations sur le meacutecanisme drsquohydrolyse du GTPqui est agrave la base de sa fonction et dont une activiteacute anormale conduit agrave la prolifeacuteration descellules tumorales

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• Curriculum Vitae
• Enseignement et responsabiliteacutes administratives
• Production scientifique
• Activiteacutes de recherche

Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

2 Applications aux systegravemes bio-hybrides

Lrsquointeacutegration des biomoleacutecules entraicircne certaines questions comment les deacuteposer surune surface et les fonctionnaliser sans les deacutenaturer comment diriger leur seacutelectiviteacute comment diminuer leur complexiteacute tout en conservant leur speacutecificiteacute et leur fonction

Prenons le cas des aptamegraveres Outre des enjeux technologiques eacutevidents ces courts brins drsquoacidesnucleacuteiques preacutesentent plusieurs inteacuterecircts pour nos simulations i) leur petite taille facilite ledeacuteveloppement et la validation drsquoune nouvelle approche ii) leur grande seacutelectiviteacute met en jeuun reacuteseau complexe drsquointeractions faibles dont la deacutetermination est essentielle pour geacuterer laconception de dispositifs performants iii) leur comportement notamment dans un milieu nonbiologique nrsquoest pas suffisamment connu pour mener leur exploitation agrave un stade industrielIls constituent un vrai deacutefi auquel nous avons deacutecideacute de nous confronter Dans un premiertemps le systegraveme choisi est celui drsquoun capteur sandwich agrave 2 aptamegraveres Plusieurs verrousapparaissent deacutejagrave neacutecessitant un travail de modeacutelisation incontournable

bull Interaction aptamegravereproteacuteine

radicdeacuteformation et modification de lrsquoactiviteacute des partenaires lieacutee agrave lrsquointeraction

Lrsquointeraction avec un aptamegravere va-t-elle affecter celle du second

radicsurface drsquointeraction affiniteacute speacutecificiteacute

Comprendre lrsquointeraction pour aller vers lrsquooptimisation et le controcircle

bull Interaction substrataptamegravere

radiceffet du substrat sur le repliement de lrsquoaptamegravere sur lrsquoactiviteacute biologique

radicdensiteacute de greffage

Preacutevoir le comportement des biomoleacutecules agrave lrsquoapproche drsquoune surface

bull Influence du dispositif de deacutetection

radicchoix du linker

radicencombrement steacuterique effet de la moleacutecule de deacutetection sur le systegraveme

Guider la fonctionnalisation et lrsquoimmobilisation sur le surface

bull Vers lrsquooptimisation et la conception

radicdureacutee de vie de lrsquointeraction speacutecificiteacute stabiliteacute

radicrepliement tridimensionnel de lrsquoaptamegravere

Diminuer la taille tout en conservantameacuteliorant les proprieacuteteacutes

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Application aux moleacutecules bio-hybrides

Aptamegraveres pour la deacutetection

Mots-cleacutes aptamegraveres thrombine interactions ADNproteacuteines interactions bionon-bio

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil particuliegraverement bien adapteacute pour deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de systegravemes bio-hybrides tels que lesaptamegraveres pressentis comme excellents candidats pour une nouvelle geacuteneacuteration de capteursLes aptamegraveres sont de courts brins drsquoADNARN pouvant se lier agrave leur cible avec une grandespeacutecificiteacute et affiniteacute Ils constituent pour cette raison drsquoexcellents capteurs Pourtant leurabsence des proceacutedeacutes industriels nous impose la complexiteacute de leur mise en oeuvre Noussommes en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces aptamegraveres et de lrsquoeffet deleur environnement sur leur proprieacuteteacutes (linkers moleacutecules de deacutetection)

Contexte

Lrsquoabsence des aptamegraverres des proceacutedeacutes industriels nous imposela complexiteacute de leur mise en oeuvre Le verrou principalrepose sur leur seacutelection in vivo ne tenant pas comptedes modifications chimiques requises pour leur inteacute-gration Dans le cadre de lrsquoutilisation des aptamegraveres au LAASpour des applications bio-puces nous utilisons les Modes Sta-tiques afin de cribler lrsquoimpact de modifications structuralesimposeacutees agrave un aptamegravere sur sa stabiliteacute biomeacutecanique Notreideacutee est que lrsquooutil Modes Statiques permet de deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de sys-tegravemes bio-hybrides tels que les aptamegraveres Nous sommes doncen en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces ap-tamegraveres et de lrsquoeffet de leur environnement sur leur proprieacuteteacutes

Reacutesultats

Nous avons amorceacute lrsquoeacutetude drsquoun complexe aptamegravere-thrombine dans lequel 2 aptamegraveressont utiliseacutes pour la capture et la deacutetection Nos premiers calculs sont axeacutes sur les proprieacute-teacutes drsquoun des 2 aptamegraveres Les calculs montrent notamment qursquoune fonctionnalisation par desspacers usuels (PEG poly-T) perturbe ses proprieacuteteacutes meacutecaniques alors qursquoune chaicircne alkylea une incidence mineure Ces travaux pionniers suggegraverent que la conception des capteursagrave aptamegraveres doit srsquoappuyer sur une modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique deacutedieacutee agrave cessystegravemes Nous envisageons agrave preacutesent de tester lrsquoeffet des spacers sur lrsquointeraction aptamegravere-cible mais aussi de modeacuteliser le comportement des aptamegraveres sur une surface Ces reacutesultats onteacuteteacute publieacutes dans Applied Physics Letters (2012) et ont fait lrsquoobjet drsquoune seacutelection pour VirtualJournal of Biological Physics Research (numeacutero du 1er mai 2012)

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Oncologie structurale

Cas de lrsquooncoproteacuteine RAS

Mots-cleacutes GTPase mutation flexibiliteacute site catalytique mouvements fonctionnels

Reacutesumeacute Les meacutethodologies deacuteveloppeacutees peuvent bien entendu ecirctre appliqueacutees agrave des ques-tions plus traditionnelles de la biologie tels que les changements conformationnels lrsquoacti-viteacute enzymatique la reacutegulation des signaux intra-cellulaires Ce travail est meneacute en colla-boration avec des biologistes et des pharmacologues notamment dans ce cas avec lrsquoInstitutClaudius Reacutegaud de Toulouse aux cocircteacutes duquel nous sommes engageacutes sur le cas de la proteacuteineRAS Cette oncoproteacuteine est pressentie comme une cible de grand potentiel pour denouvelles theacuterapies les calculs sont nombreux (dynamique moleacuteculaires principalement)mais ne reacutepondent pas aux questions fondamentales (rocircle des mutations mouvements in-ternes et reacutegulation) Nous pensons que Flexible peut permettre drsquoapporter un nouveleacuteclairage sur ces points et travaillons en ce moment sur la caracteacuterisation du site cata-lytique de RAS et sur lrsquoeffet de mutations sur le meacutecanisme drsquohydrolyse du GTPqui est agrave la base de sa fonction et dont une activiteacute anormale conduit agrave la prolifeacuteration descellules tumorales

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• Curriculum Vitae
• Enseignement et responsabiliteacutes administratives
• Production scientifique
• Activiteacutes de recherche

IV3 Activiteacutes et projets en cours Marie Brut - LAAS-CNRS

Application aux moleacutecules bio-hybrides

Aptamegraveres pour la deacutetection

Mots-cleacutes aptamegraveres thrombine interactions ADNproteacuteines interactions bionon-bio

Reacutesumeacute Les Modes Statiques sont un outil particuliegraverement bien adapteacute pour deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de systegravemes bio-hybrides tels que lesaptamegraveres pressentis comme excellents candidats pour une nouvelle geacuteneacuteration de capteursLes aptamegraveres sont de courts brins drsquoADNARN pouvant se lier agrave leur cible avec une grandespeacutecificiteacute et affiniteacute Ils constituent pour cette raison drsquoexcellents capteurs Pourtant leurabsence des proceacutedeacutes industriels nous impose la complexiteacute de leur mise en oeuvre Noussommes en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces aptamegraveres et de lrsquoeffet deleur environnement sur leur proprieacuteteacutes (linkers moleacutecules de deacutetection)

Contexte

Lrsquoabsence des aptamegraverres des proceacutedeacutes industriels nous imposela complexiteacute de leur mise en oeuvre Le verrou principalrepose sur leur seacutelection in vivo ne tenant pas comptedes modifications chimiques requises pour leur inteacute-gration Dans le cadre de lrsquoutilisation des aptamegraveres au LAASpour des applications bio-puces nous utilisons les Modes Sta-tiques afin de cribler lrsquoimpact de modifications structuralesimposeacutees agrave un aptamegravere sur sa stabiliteacute biomeacutecanique Notreideacutee est que lrsquooutil Modes Statiques permet de deacutevelopperune ingeacutenierie in silico pour sonder les proprieacuteteacutes de sys-tegravemes bio-hybrides tels que les aptamegraveres Nous sommes doncen en train de mettre en place une strateacutegie drsquoeacutetude de ces ap-tamegraveres et de lrsquoeffet de leur environnement sur leur proprieacuteteacutes

Reacutesultats

Nous avons amorceacute lrsquoeacutetude drsquoun complexe aptamegravere-thrombine dans lequel 2 aptamegraveressont utiliseacutes pour la capture et la deacutetection Nos premiers calculs sont axeacutes sur les proprieacute-teacutes drsquoun des 2 aptamegraveres Les calculs montrent notamment qursquoune fonctionnalisation par desspacers usuels (PEG poly-T) perturbe ses proprieacuteteacutes meacutecaniques alors qursquoune chaicircne alkylea une incidence mineure Ces travaux pionniers suggegraverent que la conception des capteursagrave aptamegraveres doit srsquoappuyer sur une modeacutelisation agrave lrsquoeacutechelle atomique deacutedieacutee agrave cessystegravemes Nous envisageons agrave preacutesent de tester lrsquoeffet des spacers sur lrsquointeraction aptamegravere-cible mais aussi de modeacuteliser le comportement des aptamegraveres sur une surface Ces reacutesultats onteacuteteacute publieacutes dans Applied Physics Letters (2012) et ont fait lrsquoobjet drsquoune seacutelection pour VirtualJournal of Biological Physics Research (numeacutero du 1er mai 2012)

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Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

Oncologie structurale

Cas de lrsquooncoproteacuteine RAS

Mots-cleacutes GTPase mutation flexibiliteacute site catalytique mouvements fonctionnels

Reacutesumeacute Les meacutethodologies deacuteveloppeacutees peuvent bien entendu ecirctre appliqueacutees agrave des ques-tions plus traditionnelles de la biologie tels que les changements conformationnels lrsquoacti-viteacute enzymatique la reacutegulation des signaux intra-cellulaires Ce travail est meneacute en colla-boration avec des biologistes et des pharmacologues notamment dans ce cas avec lrsquoInstitutClaudius Reacutegaud de Toulouse aux cocircteacutes duquel nous sommes engageacutes sur le cas de la proteacuteineRAS Cette oncoproteacuteine est pressentie comme une cible de grand potentiel pour denouvelles theacuterapies les calculs sont nombreux (dynamique moleacuteculaires principalement)mais ne reacutepondent pas aux questions fondamentales (rocircle des mutations mouvements in-ternes et reacutegulation) Nous pensons que Flexible peut permettre drsquoapporter un nouveleacuteclairage sur ces points et travaillons en ce moment sur la caracteacuterisation du site cata-lytique de RAS et sur lrsquoeffet de mutations sur le meacutecanisme drsquohydrolyse du GTPqui est agrave la base de sa fonction et dont une activiteacute anormale conduit agrave la prolifeacuteration descellules tumorales

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• Curriculum Vitae
• Enseignement et responsabiliteacutes administratives
• Production scientifique
• Activiteacutes de recherche

Marie Brut - LAAS-CNRS IV3 Activiteacutes et projets en cours

Oncologie structurale

Cas de lrsquooncoproteacuteine RAS

Mots-cleacutes GTPase mutation flexibiliteacute site catalytique mouvements fonctionnels

Reacutesumeacute Les meacutethodologies deacuteveloppeacutees peuvent bien entendu ecirctre appliqueacutees agrave des ques-tions plus traditionnelles de la biologie tels que les changements conformationnels lrsquoacti-viteacute enzymatique la reacutegulation des signaux intra-cellulaires Ce travail est meneacute en colla-boration avec des biologistes et des pharmacologues notamment dans ce cas avec lrsquoInstitutClaudius Reacutegaud de Toulouse aux cocircteacutes duquel nous sommes engageacutes sur le cas de la proteacuteineRAS Cette oncoproteacuteine est pressentie comme une cible de grand potentiel pour denouvelles theacuterapies les calculs sont nombreux (dynamique moleacuteculaires principalement)mais ne reacutepondent pas aux questions fondamentales (rocircle des mutations mouvements in-ternes et reacutegulation) Nous pensons que Flexible peut permettre drsquoapporter un nouveleacuteclairage sur ces points et travaillons en ce moment sur la caracteacuterisation du site cata-lytique de RAS et sur lrsquoeffet de mutations sur le meacutecanisme drsquohydrolyse du GTPqui est agrave la base de sa fonction et dont une activiteacute anormale conduit agrave la prolifeacuteration descellules tumorales

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