Soutenance de thèse de Lodovico Balducci

Dynamics of hemeproteins by femtosecond X-ray techniques

  1. Abstract
  2. Composition du jury

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.

I will present results obtained during two separate experiments, conducted at the XPP beamline of the Linac Coherent Light Source (SLAC, Menlo Park, CA, USA) They aim at studyingprotein's structural changes triggered byphoto-dissociation reaction of carbon monoxide in heme proteins. During the first experiment, the global (low resolution) structural changes of three heme proteins have been probed by means of time resolved scattering technique, in order to observe the so called “protein-quake” and how it depends on the protein's structure. In the second experiment, the active site of myoglobin was probed 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.

The analysis performed contributes towards the understanding of ultra-fast proteins dynamics: we managed, thanks to the high time resolution to record the atomic movement of the iron atom upon photo-dissociation from the ligand; this movement propagates through the protein's structure in the picosecond time scale, producing vibrations with a characteristic frequency that is only slightly dependent of the proteins structure for globular proteins. The overall picture that emerges is that specific local motions are responsible for inducinglarger scale changes that ultimately are related totheir biological activity. The elucidation of this cause effect mechanism is a central topic in today’s structural biology: 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.

Résumé:

Récemment, le développement des techniques de radiographie à résolution temporelle a ajouté la dimension temporelle aux études de biologie structurale et s'est avéré être un excellent outil pour suivre les protéines au cours d'une réaction ou d'un changement conformationnel spécifique. En particulier, les sources de rayons X de quatrième génération (les lasers à électrons libres), à impulsions femtosecondes et à fluences extrêmement élevées, sont capables de sonder des ensembles de molécules essentiellement gelées dans le temps dans des conditions physiologiques.

Je présenterai les résultats obtenus lors de deux expériences distinctes, réalisées sur la ligne de faisceau XPP de la Source lumineuse cohérente de Linac (SLAC, Menlo Park, CA, USA). Elles visent à étudier les changements structurels de la protéine provoqués par la réaction de photodissociation du monoxyde de carbone dans les protéines hémiques. Au cours de la première expérience, les changements structurels globaux (basse résolution) de trois protéines hémiques ont été sondés au moyen d'une technique de diffusion à résolution temporelle, afin d'observer ce que l'on appelle le "protein-quake" et comment il dépend de la structure de la protéine. Dans la deuxième expérience, le site actif de la myoglobine a été sondé par absorption des 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 ultra rapide.

L'analyse effectuée contribue à la compréhension de la dynamique des protéines ultra-rapides : nous avons réussi, grâce à la haute résolution temporelle, à enregistrer le mouvement atomique de l'atome de fer lors de la photodissociation du ligand ; ce mouvement se propage à travers la structure de la protéine à l'échelle picoseconde, produisant des vibrations à une fréquence caractéristique qui ne dépend que peu de la structure des protéines des protéines globulaires. L'image globale qui se dégage est que des mouvements locaux spécifiques sont responsables de changements d'échelle plus importants qui, en fin, sont liés à leur activité biologique. L'élucidation de ce mécanisme de cause à effet est un sujet central de la biologie structurale d'aujourd'hui : selon le système et le niveau de détail requis, ces méthodologies, appliquées ici à des systèmes modèles, peuvent être considérées comme d'excellents outils pour des recherches ultérieures sur des protéines plus complexes.

Composition du jury

Directeur de thèse:  Marco CAMMARATA  CNRS researcher, Université de Rennes 1

Examinateur:            Marylise BURON  Professor, Université de Rennes 1

Rapporteurs:            Jacques-Philippe COLLETIER   CNRS research director, Institut de Biologie Structural
                                 Michel SLIWA    CNRS research director, Université de Lille