Etude des cycles peptidiques en interaction avec les membranes lipidiques par simulations de dynamique moléculaire utilisant l'approche gros grains, Study of cyclic peptides in interaction with lipid membranes using coarse-grained molecular dynamics simulations

Adil Khalfa

Description

Sous la direction de Mounir Tarek, Bernard Maigret
Thèse soutenue le 30 mars 2009: Nancy 1
Les cycles peptidiques (CPs) composés d’un nombre paire d’acides aminés avec l’alternance de chiralité L/D, sont capables de s’auto assembler pour former des nanotubes peptidiques tubulaires creux grâce à un réseau de liaisons d’hydrogène. La partition des CPs hydrophobes dans une membrane lipidique forme un nanotube transmembranaire, alors que les CPs chargés caractérisé par l’amphipacité montrent une forte activité antibactérienne contre les bactéries gram+/-. Le but de ce travail consiste principalement à étudier les interactions des CPs avec des membranes lipidiques par simulations de dynamique moléculaire utilisant l’approche gros grains, pour mieux caractériser le processus d’auto assemblage, la formation de nanotubes transmembranaires et l’action antibactérienne des CPs. Les résultats obtenus montrent que l’activité de CPs est gouvernée par les propriétés physico-chimiques de la l’interaction des CPs avec les têtes polaires de la membrane. Dans le cas des CPs hydrophobes, les peptides s’auto-assemblent en amas à la surface des membranes avant de s’auto organiser à l’intérieur des bicouches lipidiques pour former des nanotubes transmembranaires. Dans le cas des CPs chargés, leur action antibactérienne semble résulter de l’extraction et la libération de micelles de phospholipides de la membrane qui est précédée par l’adsorption des peptides à la surface des membranes en mode dit carpet-like. L’ensemble de cette étude a nécessité un grand effort d’optimisation des champs de forces gros grains existants. Nous avons en effet montré leurs limites et optimisés les paramètres d’interaction impliquant plusieurs acides amines comme les résidus Leu, Trp, Arg et Lys. Nous avons étendu l’étude au repliement de peptides hélicoïdaux transmembranaires et antimicrobiens montrant ainsi la transférabilité du champ de force GG optimisé.
-Cycles peptidiques
Cyclic peptides (CPs) composed of an even number of alternating D and L amino acids, are able to self-assemble into hollow tubular peptide nanotubes by means of a network of hydrogen bonds. The partition of hydrophobic CPs in lipid membranes forms an artificial transmembrane nanotube, while charged CPs characterized by amphipathic properties exhibit high antibacterial activity against Gram-positive and Gram-negative bacteria. The main goal of our investigation consisted to studying the interaction of cyclic peptides with lipid membranes using coarse grained molecular dynamics simulations in order to characterize the process of self assembly in solution, formation of transmembrane nanotubes and antibacterial activity of cyclic peptides. The results obtained revealed that, the activity of these CPs are governed by their physicochemical properties and by the interactions with the membrane lipid head-groups. In the case of hydrophobic CPs, the peptides pre-assemble as clusters before re-organizing in the interior of the membrane to form transmembrane nanotubes. For cationic CPs, the antibacterial activity seems to result from a release of phospholipid micelles following a carpet-like model adsorption. This study required a large effort in optimizing the coarse grain force field published so far. We have indeed shown their shortcomings, and optimized the parameters describing the interactions involving several amino-acids such as Leu, Trp, Arg and Lys. We have extended the study to the investigation of the folding of transmembrane and antimicrobial peptides probing hence the transferability of the optimized coarse grained model force field.
Source: http://www.theses.fr/2009NAN10024/document

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 99
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 19 Mo

Extrait

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UFR Sciences et Techniques de la Matière et des Procédés
École Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires
Thèse
Présenté en vue de l’obtention du grade de
Docteur de l’Université Henri Poincaré
en Chimie Informatique et Théorique
Par
Adil Khalfa
Étude des cycles peptidiques en interaction avec les
membranes lipidiques par simulations de dynamique
moléculaire utilisant l’approche gros grains
Sous la direction de Dr. Mounir Tarek et Dr Bernard Maigret
Équipe de Dynamique des Assemblages Membranaires, UMR UHP/CNRS 7565
Soutenue publiquement le 30/03/2009
Membres du jury :
Président : Prof. Xavier Assfeld Nancy Université
Rapporteurs : Prof. Catherine Etchebest Université Paris Diderot-Paris 7
Dr. Juan Elezgaray IECB-CNRS, Université de Bordeaux
Examinateurs : Prof. Christophe Ramseyer Université de Franche-Comté Besançon
Dr. Bernard Maigret INRIA-CNRS, LORIA
Dr. Mounir Tarek CNRS, Nancy Université Remerciements
Ce travail a été effectué au sein de l’équipe de Dynamique des Assemblages Membranaires
(UMR UHP/CNRS 7565) à l’université Henri Poincaré Nancy1 sous la direction de Dr
Mounir Tarek et Dr Bernard Maigret.
Tout d’abord je tiens à remercier le Dr Bernard Maigret pour m’avoir accueilli dans son
groupe et accepté la direction de cette thèse.
J’exprime ma très sincère reconnaissance au Dr Mounir Tarek pour m’avoir fait découvrir la
simulation numérique et de m’avoir transmis sa passion et sa rigueur de travail. Merci
beaucoup pour la disponibilité, les efforts constants, les discussions chaleureuses et
fructueuses, et surtout pour sa confiance en moi et l’autonomie qu’il m’a laissé pour mener à
bien ce travail.
Je remercie vivement l’ensemble des membres du jury.
Un grand merci au Prof. Catherine Etchebest et le Dr Juan Elezgaray d’avoir accepté de relire
et juger ce manuscrit. Sincères remerciements au Prof. Christophe Ramseyer d’avoir accepté
d’examiner mon travail de thèse.
Je remercie très sincèrement Drs Chris Chipot et François Dehez pour leur soutien permanant
durant ces quatre années de thèse.
Je tiens à remercier Werner Treptow avec qui j’ai pu avoir de nombreuses discussions très
importantes. Un énorme merci aussi à mes amis qui m’ont aidé et soutenu de près ou de loin
tout au long de ma thèse.
Je n’oublie pas de remercier Lucie Delemotte de sa participation cruciale en tant que stagiaire
à la fin de ce travail.
Je tiens à remercier également le Centre Informatique National de l'Enseignement Supérieur -
CINES- (centre national de calculs à Montpellier) pour les nombreuses heures de calculs
attribuées à ce travail.
J’exprime mes plus sincères remerciements à mes parents, mes frères, mes sœurs et mon
oncle pour leur confiance inestimable envers moi, et pour leur soutien permanent depuis
toujours, merci à tous.
Tous mes pensés sincères et mes chaleureux remerciements vont à ma femme de ma vie
Asma, car elle a eu la patience de lire et de relire ce mémoire, mais aussi et surtout de
m’encourager lors des moments les plus difficiles. Merci infiniment d’être là, merci
sincèrement d’être toi. À ma petite fille Aya Introduction
Les cycles peptidiques (CPs) composés d’un nombre paire d’-acides aminés possédant
l’alternance de chiralité L/D [1] sont capables de s’auto assembler grâce à un réseau de
liaisons d’hydrogène qui se forme entre les groupes carbonyles d’une unité et les groupes
amines de l’unité contiguë [2].
Ces cycles peptidiques possèdent des angles et qui sont uniques et bien déterminées
[3], ils sont beaucoup plus stables que les feuillets- classiques et faciles à synthétiser. Les
propriétés de leurs surfaces externes et leurs diamètres internes sont contrôlables et ajustables
respectivement par la propriété et le nombre d’acides aminés qui les forment [4].
En 1994, l’équipe de recherche de Ghadiri a montré que l’auto assemblage des CPs
hydrophobes [Gln-(D-Leu-Trp)-D-Leu] résulte en la formation de nanotubes 4
transmembranaires de différentes tailles à travers des liposomes [5, 6]. Ces nanotubes
peptidiques se caractérisent par une capacité à transporter des ions, des molécules d’eau et des
macromolécules à travers les membranes.
En outre, l’équipe de Ghadiri a démontré en 2001 par des tests in vivo et in vitro que
certains CPs chargés agissent préférentiellement sur les membranes bactériennes gram positif
(gram+) et gram négatif (gram-) par rapport aux cellules mammifères, en augmentant
sensiblement la perméabilité de la membrane, provoquant rapidement la mort de la cellule [7].
Ghadiri et al. ont suggéré que les CPs chargés sont capables de répondre efficacement en tant
que molécules pharmaceutiques à la croissance de la résistance bactérienne et à la
prolifération d’infections d’origine bactérienne.
Les processus impliqués dans ces types de phénomènes dépendent des paramètres
structurels et/ou physico-chimiques des composés à l’échelle moléculaire. Dans ce cadre, les
méthodes de simulations atomistiques, notamment la dynamique moléculaire (DM) [8, 9] sont
fréquemment utilisées comme complément aux méthodes expérimentales pour mieux
caractériser ces processus à l’échelle moléculaire. La DM est une méthode déterministe, qui
consiste à simuler l'évolution d'un système de particules au cours du temps par des outils
informatiques en appliquant les lois de la mécanique classique [10, 11].
Dans ce travail nous mettons à profit de telles simulations pour étudier les interactions de
plusieurs cycles peptidiques hydrophobes et chargés avec des membranes lipidiques pour
mieux caractériser leur processus d’auto-assemblage, la formation de nanotubes
transmembranaires et leur potentielle action antibactérienne.
Nous souhaitons répondre à travers cette étude à plusieurs questions, notamment :
Quels sont les mécanismes mis en jeu dans la formation de nanotubes
transmembranaires et dans l’activité antimicrobienne ?
Quelle est la relation entre les propriétés des acides aminés composant les CPs,
l’activité de ces derniers et la sélectivité membranaire.
5 Il est à noter que les temps de relaxation des lipides, principales composantes des
membranes, et l’échelle du temps dans laquelle se produit un phénomène comme l’auto
assemblage d’un nanotube synthétique et sa migration vers le cœur de la membrane lipidique,
vont largement au-delà des moyens du calcul conventionnels, qui sont limités à des échelles
d’espace et de temps de 5-10 nm et 100 ns, respectivement [12]. Par conséquent, nous
avons eu recours à une modélisation de DM dite gros grains (GG), qui consiste à représenter
plusieurs atomes par un seul site d’interaction. Une telle représentation réduit notablement le
nombre de particules interagissant dans le système et augmente par conséquent la rapidité du
calcul.
En 2001, Klein et ses collègues ont développé le premier modèle GG semi quantitatif pour
étudier notamment l’agrégation des lipides en phases lamellaires [13, 14]. Ils ont par la suite
étendu ce modèle à d’autres systèmes moléculaires (surfactants/ polymères) [15]. En 2004,
Marrink et ses collègues ont proposé un autre modèle GG semi quantitatif [16] permettant
d’étudier et reproduire les propriétés structurelles et thermodynamiques des lipides hydratés
dans différentes phases. Une amélioration de ce modèle fut proposé par le même groupe en
2007 [17]. Suivant ces premiers tr