Dynamics of hemeproteins by femtosecond X-ray techniques (Dynamique des hèmeprotéines par des techniques rayon X femtoseconde) Balducci, Lodovico - (2019-12-10) / Universite de Rennes 1 Dynamics of hemeproteins by femtosecond X-ray techniques Accéder au document :  https://ged.univ-rennes1.fr/nuxeo/site/esupversion...

Langue : Anglais Directeur(s) de thèse:  Cammarata, Marco Discipline : Physique Laboratoire :  Institut de Physique de Rennes Ecole Doctorale : Matière, Molécules et Matériaux Classification : Physique Mots-clés : rayon X, laser à rayon X, hèmeprotéines, myoglobine, hémoglobine, neuroglobine, pompe-sonde, femtoseconde Hémoprotéines Lasers à rayons X Impulsions laser ultra-brèves Techniques pompe-sonde

Résumé : Récemment, la mise au point de techniques de radiographie à résolution temporelle a ajouté la dimension temporelle à la recherche dans le domaine de la biologie structurale et celles-ci se sont avérées être d'excellents outils pour suivre l'évolution structurale des protéines lors d'une réaction. En particulier, les sources de rayons X de 4ème génération (appelées lasers à électrons libres et à rayons X), avec des impulsions de l'ordre de la femtoseconde et des fluences extrêmement élevées, sont capables de sonder des ensembles de molécules essentiellement gelées dans le temps dans des conditions physiologiques. Après un aperçu des études publiées dans la littérature scientifiques, une introduction de base des techniques utilisées est présentée, accompagnée d'une description du dispositif expérimental et du flux de réduction des données. Les deux derniers chapitres sont consacrés à la présentation des résultats obtenus au cours de deux séries d'expériences réalisées au LCLS (SLAC, Menlo Park, CA, USA), pour étudier les changements structuraux des protéines dans la réaction de photodissociation prototypique du monoxyde de carbone chez des hemoprotéines. Au cours de la première expérience, la modification structurelle globale de trois hemoprotéines a été sondée par une technique de diffusion à résolution temporelle, afin d'observer d'éventuelles différences dans ce que l'on appelle le ''protein quake'' lié à la structure de la protéine. Dans la deuxième expérience, le site actif de la myoglobine a été sondé au cours de la même réaction par absorption de rayons X. Les spectres XANES à résolution temporelle ont été comparés à des calculs théoriques, dans le cadre de la théorie de la diffusion multiple, afin d'obtenir une image détaillée de la dynamique ultrarapide. Un bref projet secondaire portait à mesurer précisément des modèles de diffusion statique de la carboxyhémoglobine, afin de définir ses structures d'équilibre multiple par comparaison avec des combinaisons linéaires de structures cristallographiques connues. En conclusion, dans cette thèse de doctorat, nous avons essayé d'apporter quelques petits éléments dans la compréhension de la dynamique ultrarapide des protéines, en appliquant à la fois des méthodes d'analyse standard (Guinier), mais aussi des méthodes presque inexplorées (calculs de diffusion multiple sur des données à résolution temporelle). Selon le système et le niveau de détail requis, ces méthodes, appliquées ici aux à des systèmes modèles, peuvent être considérées d'excellents outils dans la recherche ultérieure sur des protéines plus complexes. Abstract : Recently, the development of time resolved X-ray techniques has added the time dimension to structural biology studies, and have proven to be great tools to track proteins during the course of a reaction, or a specific conformational change. In particular the 4th generation X-ray sources (so called X-ray Free-Electron Lasers), with femtosecond pulses and extremely high fluences, are capable of probing ensembles of molecules essentially frozen in time under physiological conditions. After an overview of the past studies in the field, a basic introduction of the used techniques, the description of the experimental set-up and the flow of data reduction are presented. The last two chapters are devoted to present the results obtained during two separate sets of experiments, conducted at the XPP beamline of the Linac Coherent Light Source (SLAC, Menlo Park, CA, USA), to study the protein's structural changes, upon prototypical photo-dissociation reaction of carbon monoxide from heme proteins. During the first experiment, the global structural modification of three heme proteins has been probed by means of time resolved scattering technique, in order to observe eventual differences in the so called “protein-quake” depending on the protein's structure. In the second experiment, the active site of myoglobin was probed, during the same reaction, by X-ray absorption. The time resolved XANES spectra have been compared with theoretical calculations, in the framework of the multiple scattering theory, in order to retrieve a detailed picture of the ultra-fast dynamics. A further small side-project dealt with the precise measurement of static scattering patterns of carboxy hemoglobin with the goal of defining its multiple equilibrium structures by comparison with linear combinations of known crystallographic structures. In conclusion, in this Ph.D. thesis we tried to add some small pieces in the understanding of ultra-fast proteins dynamics by applying both standard (Guinier) and almost unexplored (multiple scattering calculations on time resolved data) analysis methods: depending on the system and the level of details required, these methodologies, here applied on model systems, can be considered excellent tools for further research on more complicated proteins.