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

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

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

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

Ce projet de thèse s’inscrit dans la continuité de nos premiers travaux et a pour objectif de caractériser différentes étapes du mécanisme catalytique de réduction du dioxygène par les cytochromes bd, en nous focalisant sur le cytochrome bd-I de E. Coli. Ce travail nécessitera l’utilisation d’un large panel de méthodes de modélisation moléculaire allant de la construction de structures 3D de complexes protéiques insérés dans des membranes par des méthodes de bioinformatique à des calculs de chimie quantique, en passant par des simulations de dynamique moléculaire classique. Les principaux points qui seront abordés au cours de ce travail
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