Institut de Biologie StructuraleGrenoble / France

2021

Andrea Dessen, lauréate de la Médaille d’Argent du CNRS

Andrea Dessen, responsable du groupe Pathogénie Bactérienne de l’IBS, est lauréate de la Médaille d’Argent du CNRS pour l’année 2021. Cette médaille distingue des chercheurs et des chercheuses pour l’originalité, la qualité et l’importance de leurs travaux, reconnus sur le plan national et international.

Andrea Dessen, ingénieur chimiste diplômée à l’Université de Rio de Janeiro, a effectué sa thèse à l’Université de New York. Ce travail a été suivi de deux stages postdoctoraux, au Albert Einstein College of Medicine (New York), puis au Harvard Medical School (Boston) dans le laboratoire du Pr. Don C. Wiley. Souhaitant continuer dans le domaine de la cristallographie, elle a travaillé au Genetics Institute/Pfizer à Cambridge au Massachussetts, avant de venir en France, où elle a été recrutée au CNRS dans le groupe du Dr. Otto Dideberg à l’IBS en 2000. Depuis 2012, Directrice de Recherches au CNRS, elle dirige le groupe Pathogénie Bactérienne à l’IBS, ainsi qu’un deuxième groupe au Laboratório Nacional de Biociências (LNBio/CNPEM) à Campinas, São Paulo, grâce à un partenariat du type Laboratoire International Associé entre le CNRS et le CNPEM au Brésil.

Les deux groupes s’intéressent à la caractérisation structurale et fonctionnelle de facteurs de virulence bactériens et de machineries de la biosynthèse de la paroi bactérienne, ainsi qu’au développement de nouveaux composés ayant une activité antibactérienne, à partir de chimiothèques de produits naturels. Les techniques principales employées par les deux équipes incluent la cristallographie aux rayons X, la microscopie électronique, le criblage à haut débit et la caractérisation chimique de produits naturels, ainsi que des approches biochimiques, biophysiques et microbiologiques.

Hélène Malet, lauréate de la Médaille de bronze CNRS

Hélène Malet, Maître de Conférences à l’Université Grenoble Alpes et chercheuse dans le groupe de Microscopie Électronique et Méthodes de l’IBS, est lauréate de la Médaille de bronze du CNRS pour l’année 2021 pour ses travaux sur les protéines virales impliquées dans le fonctionnement de la réplication et la transcription virale. Cette médaille récompense le premier travail d’un(e) chercheur, qui fait de elle/lui un(e) spécialiste de talent dans son domaine.

La réplication et la transcription virale sont des étapes clés du cycle viral. Hélène Malet analyse la structure des protéines virales impliquées dans le fonctionnement de ces processus, notamment les polymérases virales. Pendant sa thèse, effectuée sous la direction du Dr. Bruno Canard à l’AFMB, Marseille, elle a caractérisé par cristallographie aux rayons X une structure de polymérase de la famille des Flaviviridae, à laquelle appartient le virus de la Dengue. Puis, souhaitant apprendre une méthode complémentaire de biologie structurale, elle a effectué un post-doctorat en microscopie électronique au sein du laboratoire du Pr. Helen Saibil à Birkbeck College, Londres. Depuis, elle combine son intérêt pour la microscopie électronique et la réplication virale. Elle a ainsi réalisé un post-doctorat portant sur l’analyse structurale de la polymérase des Peribunyaviridae dans le groupe du Dr. Stephen Cusack à l’EMBL Grenoble, avant d’être recrutée en tant que Maître de Conférences UGA à l’IBS dans l’équipe du Dr. Guy Schoehn au sein du groupe de Microscopie Électronique et Méthodes.
Son projet de recherche porte sur l’analyse structurale et fonctionnelle de la réplication de bunyavirus, un ordre viral comportant de nombreux virus humains fortement pathogènes contre lesquels aucun médicament ni vaccin n’est disponible. Les dernières avancées en microscopie électronique et la présence de microscopes électroniques de pointe à l’IBS et à l’ESRF permettent de déterminer des structures à hautes résolutions de ces enzymes essentielles et ainsi de mieux comprendre leur fonctionnement, une étape clé dans le développement futur d’anti-viraux. A plus long terme, ce projet vise à comprendre les mécanismes d’interactions entre protéines virales et protéines de l’hôte impliquées dans la régulation de la réplication virale, alliant microscopie électronique de particules isolées à haute résolution et microscopie électronique cellulaire, permettant une vision intégrative de ces processus. Ce projet est soutenu financièrement par l’ANR (HiPathBunya) et l’Institut Universitaire de France. Il utilisera de manière extensive les plateformes technologiques de l’IBS gérées par l’ISBG et subventionnées par FRISBI et Gral.

Click and Collect à Haute Résolution : une nouvelle stratégie pour percer les secrets de la division bactérienne

Les bactéries adoptent une morphologie qui leur permet de s’adapter la pression sélective de leur environnement, ce qui en fait un critère essentiel à leur survie. Cette forme est intimement liée à la synthèse de la paroi bactérienne. Chez les bactéries à Gram +, telle que S. pneumoniae, la paroi est principalement composée d’une couche épaisse de peptidoglycane (PG), qui forme un réseau de sucres et de peptides à la surface de la cellule. Bien que les machineries de synthèse du PG, appelées divisome et elongasome, aient été identifiées depuis des décennies, leurs dynamiques d’assemblages et de remodelages de la paroi bactérienne dans le temps et dans l’espace restent énigmatiques. Afin d’étudier ces processus à l’échelle du nanomètre, les chercheurs du groupe PG en collaboration avec l’équipe PIXEL de l’IBS (D. Bourgeois), un chimiste du DPM de Grenoble (Y-S. Wong) et l’équipe B3P du MMSB à Lyon (C. Grangeasse), ont mis au point une technique de marquage du PG nouvellement synthétisé utilisant la chimie bio-orthogonale (chimie click) couplée à de l’imagerie de fluorescence à haute résolution (dSTORM), et de la modélisation in silico. Ce travail pionnier décrit la dynamique de synthèse du PG chez le pneumocoque avec des détails inaccessibles jusqu’alors. Dans le futur, cette approche pourrait être utilisée pour élucider le fonctionnement de nouveaux antibiotiques, mais également être adaptée pour l’étude de processus cellulaires dans tous les domaines du vivant.

Nanoscale dynamics of peptidoglycan assembly during the cell cycle of Streptococcus pneumoniae. Trouve J, Zapun A, Arthaud C, Durmort C, Di Guilmi AM, Söderström B, Pelletier A, Grangeasse C, Bourgeois D, Wong YS, Morlot C. Current Biology 2021 ; S0960-9822(21)00576-5

Contact : Cécile Morlot, chercheuse CNRS de l’IBS (Groupe Pneumocoque)

Zoom sur l’environnement du chromophore dans une protéine fluorescente par spectroscopie RMN en solution

Les protéines fluorescentes de la famille GFP qui changent d’état lorsqu’elles sont éclairées à des longueurs d’onde spécifiques sont des marqueurs largement utilisés en imagerie super-résolution. Les propriétés photophysiques de ces protéines dépendent toutefois de manière cruciale des conditions environnementales dans lesquelles elles sont exprimées et utilisées. Actuellement, les stratégies basées sur la conception rationnelle pour améliorer les propriétés de ces protéines fluorescentes exploitent principalement les informations mécanistiques disponibles à partir des structures cristallographiques. Or, ces structures manquent d’informations sur la dynamique conformationnelle, les états de protonation et les liaisons hydrogène, ainsi que leur dépendance aux conditions physicochimiques. Dans ce travail de collaboration impliquant les groupes RMN et I2SR, nous nous sommes concentrés sur rsFolder, une protéine fluorescente verte photocommutable qui a été conçue à l’IBS. Nous avons démontré que la spectroscopie RMN en solution peut détecter des changements subtils dans l’environnement du chromophore avec une résolution atomique, ce qui permet de mieux comprendre la dépendance au pH des propriétés de photocommutation de rsFolder. Nos résultats peuvent être exploités pour concevoir et tester de nouveaux variants de FPs plus robustes face aux changements environnementaux. Ce travail introduit également la spectroscopie RMN dans le domaine de la recherche sur les protéines fluorescentes en tant que nouvel outil pour sonder les populations et la dynamique des différentes conformations du chromophore en fonction d’une variété de conditions environnementales.

Disentangling chromophore states in a reversibly switchable green fluorescent protein : mechanistic insights from NMR spectroscopy. Christou NE, Giandoreggio-Barranco K, Ayala I, Adam V, Bourgeois D, Brutscher B. Journal of the American Chemical Society 2021, 143, 19, 7521–7530

Contact : Bernhard Brutscher, chercheur CEA de l’IBS (groupe de RMN biomoléculaire)

Interactions de la protéine Spike du SARS-CoV-2 avec des bicouches lipidiques modèles

Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’ILL

La protéine Spike du SARS-CoV-2 est connue pour se lier aux récepteurs ACE2 à la surface des cellules surtout dans les poumons, permettant ainsi l’entrée du virus dans les cellules humaines. Les scientifiques de l’Institut Laue-Langevin (ILL), en collaboration avec l’Institut de Biologie Structurale (IBS), l’Institut Paul Scherrer (PSI) et l’Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO), se sont concentrés sur les interactions entre la protéine Spike et le reste de la membrane cellulaire. Plusieurs membranes cellulaires modèles ont été créées à l’aide de bicouches lipidiques supportées (SLB), allant de simples couches à des structures membranaires plus complexes. L’IBS a réussi à fabriquer une protéine Spike SARS-CoV-2 stable (sSpike), contenant la partie soluble de la protéine et la protéine de liaison au récepteur. Cette sSpike a ensuite été introduite de manière à ce que les interactions puissent être observées dans les des membranes synthétiques et naturelles plus ou moins complexes. Les membranes ont ensuite été étudiées à l’ILL à l’aide de la réflectométrie neutronique, qui permet des études à des niveaux de résolution sub-nanométriques. Les chercheurs ont constaté une dégradation de la bicouche lipidique dès l’introduction de sSpike (avec et sans la présence de sACE2). sSpike est capable d’arracher de manière significative les lipides de la membrane cellulaire, perturbant et pénétrant potentiellement directement à travers la membrane cellulaire. Ces résultats de recherche fondamentale, publiés dans Scientific reports, pourraient ouvrir la voie à de nouvelles investigations et au développement potentiel de thérapies plus efficaces ou de futurs vaccins.

Lipid bilayer degradation induced by SARS-CoV-2 spike protein as revealed by neutron reflectometry. Luchini A, Micciulla S, Corucci G, Chaithanya Batchu K, Santamaria A, Laux V, Darwish T, Russell RA, Thepaut M, Bally I, Fieschi F, Fragneto G. Scientific Reports 11, 14867 (2021)

Contact : Franck Fieschi, professeur UGA rattaché à l’IBS (Groupe Membrane et pathogènes)

Une toxine bactérienne pilotée par une protéine humaine

Pseudomonas aeruginosa peut provoquer des infections nosocomiales via la toxine ExoU qui agit sur les lipides de la membrane plasmique en provoquant leur rupture et la nécrose de la cellule hôte. En découvrant que ExoU a besoin de la protéine DNAJC5 de l’hôte pour son activité nécrotique, les chercheurs de l’Irig viennent d’identifier le talon d’Achille de cette toxine.
Pseudomonas aeruginosa est une bactérie pathogène opportuniste responsable d’infections nosocomiales et d’infections mortelles pour les patients atteints de mucoviscidose. Les isolats cliniques sont fréquemment multirésistants aux antibiotiques, ce qui complique la prise en charge des patients infectés. P. aeruginosa dispose d’un arsenal de facteurs de virulence, dont le plus actif est un injectisome qui injecte des toxines directement dans les cellules cibles. ExoU est la toxine la plus redoutable injectée par ce système. Elle possède une activité nécrosante liée à son activité phospholipase qui provoque la rupture de la membrane plasmique des cellules, avec pour conséquence des lésions sévères dans les tissus infectés.
Pour mettre en œuvre leur activité biologique toxique, les toxines bactériennes détournent souvent à leur profit des molécules ou des mécanismes de la cellule humaine (nommée « cellule hôte ») qu’elles infectent. Des chercheurs de l’Irig (collaboration IBS et Laboratoire Biologie et Biotechnologie pour la Santé) ont recherché, à l’aide d’un crible génétique utilisant la technologie CRISPR-Cas9, les gènes qui pouvaient être impliqués dans la toxicité d’ExoU. En procédant ainsi, un seul gène a été identifié ! Ce gène code pour la protéine humaine DNAJC5, protéine que l’on sait jouer un rôle central dans la sécrétion de certaines protéines cytoplasmiques via un système de transport vésiculaire non-conventionnel (MAPS). Les chercheurs ont montré que DNAJC5 guide la toxine vers la membrane plasmique de la cellule hôte, là où ExoU peut exercer son activité toxique (Figure). Ce résultat est cohérent avec le fait que la toxine ExoU n’altère pas les cellules qui ne possèdent pas DNAJC5. Les chercheurs ont ainsi montré que des drosophiles dans lesquelles l’expression du gène l’orthologue de DNAJC5 était inhibée survivaient beaucoup mieux à l’infection bactérienne.
Le système de transport assuré par la protéine DNAJC5 est donc le talon d’Achille de la toxine ExoU de la bactérie pathogène Pseudomonas aeruginosa. Cette découverte pourrait être mise à profit pour empêcher l’action dévastatrice d’ExoU lors d’infections aiguës à P. aeruginosa.

The bacterial toxin ExoU requires a host trafficking chaperone for transportation and to induce necrosis. Deruelle V, Bouillot S, Job V, Taillebourg E, Fauvarque MO, Attrée A and Huber P. Nature Communications, 2021

De la chimie radicalaire pour l’assemblage du site actif des hydrogénases à [FeFe]

Les hydrogénases à [FeFe] sont des métalloenzymes capables de catalyser la réaction réversible d’oxydation de l’hydrogène moléculaire. Elles utilisent pour cela un centre organométallique unique appelé agrégat H, dont les propriétés physicochimiques et structurales servent de source d’inspiration pour l’élaboration de catalyseurs en vue d’une utilisation plus importante de l’hydrogène moléculaire comme source d’énergie renouvelable. Des chercheurs de l’IRIG lèvent un coin de voile sur les mécanismes de production et d’assemblage de ce centre métallique, qui font appel à une chimie radicalaire complexe.

L’agrégat H de ces métalloprotéines est constitué d’un centre [Fe4S4] lié à un centre binucléaire de fer [2Fe]H. Ce dernier est le site de fixation et transformation de l’hydrogène proprement dit. La biosynthèse du [2Fe]H nécessite l’action coordonnée d’au moins trois métalloprotéines accessoires HydF, HydE et HydG. La protéine HydG est responsable, à partir de L-tyrosine, de la production des ligands cyanure et monoxyde de carbone, sous la forme d’un complexe organométallique appelé complexe-B. Ce dernier sert à son tour de substrat pour la protéine HydE dont la réaction et le produit restent inconnus. La protéine HydF, elle, sert d’échafaudage sur lequel le centre [2Fe]H est construit avant d’être inséré dans l’hydrogénase.
Des chercheurs de l’Irig étudient les mécanismes catalytiques de métalloenzymes contenant des métaux de transition, mais aussi les mécanismes de synthèse et d’insertion de ces sites métalliques dans les enzymes au sein desquelles ils doivent être insérés. En collaboration avec l’UCDavis et l’université de l’Illinois, ils ont publié la structure cristalline de la protéine HydE liant le complex-B, révélant pour la première fois sa configuration unique, ainsi que son mode de fixation. Par ailleurs, en déclenchant la réaction, soit directement dans les cristaux, soit juste avant cristallisation, ils ont été capables d’observer une nouvelle espèce mononucléaire de fer pentavalent, probablement reliée au produit de HydE. L’analyse des mouvements de la protéine observés dans les différentes structures suggère un transfert directionnel du substrat au site actif et d’évacuation du produit vers son partenaire HydF. Ces travaux soulèvent de nouvelles questions quant au mécanisme complet de l’enzyme qui agit comme une nano chaine de montage.

Crystal Structure of the [FeFe]-Hydrogenase Maturase HydE Bound to Complex-B. Rohac R, Martin L, Liu L, Basu D, Tao L, Britt RD, Rauchfuss TB, and Nicolet Y. Journal of the American Chemical Society, 2021

Contact : Yvain Nicolet (IBS/Groupe Métalloprotéines)

SARS-CoV-2 : un mécanisme de transmission inédit

D’une manière générale, les cellules portent sur leur surface des récepteurs, dont certains servent seulement à l’accrochage des virus alors que d’autres peuvent contribuer au franchissement de la barrière cellulaire. Ainsi la glycoprotéine S, présente à la surface du Coronavirus SARS-CoV-2, permet l’entrée du virus dans les cellules humaines via son interaction avec un récepteur, l’enzyme ACE2, présent à la surface des cellules infectées. Des scientifiques du groupe M&P de l’IBS, en collaboration avec le groupe CAID et la plateforme de microscopie électronique de l’IBS, ainsi que des chercheurs espagnols et italiens, ont démontré que des récepteurs lectines (DC-SIGN, L-SIGN , MGL et Langerin) de cellules immunitaires sont également capables de reconnaitre la protéine S du SARS-CoV-2. Cette interaction implique une reconnaissance multi-site de la protéine S en exploitant les différents glycanes (sucres) de surface de la protéine S. Elle ne cause pas l’infection directe des cellules par le SARS-CoV-2 mais DC-SIGN et L-SIGN sont capables, une fois qu’ils ont accroché le virus à la cellule, de le transmettre aux cellules permissives possédant ACE2. La glycoprotéine S s’avère donc posséder tout un jeu de clés pour permettre au SARS-CoV-2 de proliférer.
Ces résultats, déjà démontrés sur des pseudo virus il y a quelques mois en prépublication, sont aujourd’hui confirmés par l’utilisation de virus SARS-CoV-2 authentiques, et sur des cellules respiratoires humaines. Les chercheurs ont en outre démontré qu’il est possible d’inhiber ce mode de transmission du virus par l’utilisation de glycomimétiques, des molécules pouvant mimer les sucres de surfaces du virus. Ces inhibiteurs glycomimétiques développés à l’IBS vont constituer un premier outil pour étudier, dans les mois à venir, l’importance relative de ce mode de transmission. Communiqué de presse UGA

DC/L-SIGN recognition of spike glycoprotein promotes SARS-CoV-2 trans-infection and can be inhibited by a glycomimetic antagonist. M. Thépaut, J. Luczkowiak, C. Vivès, N. Labiod, I. Bally, F. Lasala, Y. Grimoire, D. Fenel, S. Sattin, N. Thielens, G. Schoehn, A. Bernardi, R. Delgado, F. Fieschi. Plos Pathogens (2021) accepté

Un aperçu du processus d’élongation de la paroi bactérienne

Le peptidoglycane (PG) est un composant essentiel de la paroi bactérienne. Il joue un rôle important dans la forme des bactéries et le processus de division cellulaire. Dû à l’importance du PG pour la survie des bactéries, sa machinerie de biosynthèse est une cible préférentielle pour le développement d’antibiotiques depuis de décennies. Cependant, les informations sur la régulation du processus d’élongation de la paroi sont très peu nombreuses. Dans ce travail nous montrons que la protéine d’échafaudage MreC du pathogène humain Pseudomonas aeruginosa joue un rôle prépondérant dans la régulation du processus d’élongation de la paroi grâce à sa capacité d’auto-association et de reconnaissance de plusieurs partenaires. Certains de ses partenaires sont les ’Protéines liant la Pénicilline’ (PBPs, sigle en anglais), qui sont déjà les cibles des antibiotiques type beta-lactamine.
Ces résultats, obtenus en partenariat avec le Laboratório Nacional de Biociências à Campinas et en utilisant des données collectées au synchrotron brésilien LNLS et en cryo-microscopie électronique à l’IBS à l’aide du microscope Glacios, ouvrent des portes pour une compréhension détaillée de la machinerie de formation de la paroi bactérienne ainsi qu’au développement de nouveaux agents antibactériens.

Self-association of MreC as a regulatory signal in bacterial cell wall elongation. Alexandre Martins, Carlos Contreras-Martel*, Manon Janet-Maitre, Mayara M. Miyachiro, Leandro F. Estrozi, Daniel Maragno Trindade, Caique C. Malospirito, Fernanda Rodrigues-Costa, Lionel Imbert, Viviana Job, Guy Schoehn, Ina Attrée, Andrea Dessen. Nature Communication ;2987

Contact : Andrea Dessen, chercheuse CNRS de l’IBS (groupe Pathogénie Bactérienne)

Une nouvelle conformation de gp41 du VIH-1 comme cible des anticorps neutralisants à large spectre

La glycoprotéine d’enveloppe (Env) du VIH-1 est la cible principale des anticorps neutralisants, qui bloquent l’entrée du virus. Env est un trimère métastable composé du domaine de liaison aux récepteurs, gp120 et de la sous-unité de la protéine de fusion, gp41. Lors de la liaison aux récepteurs cellulaires, Env subit une série de changements de conformation, notamment au sein de gp41, qui rapproche les membranes virale et cellulaire pour catalyser la fusion membranaire et initier l’infection.
Dans cet article, les chercheurs du groupe EBEV et les collaborateurs de l’Université de Basque Country, de l’Université de Zurich et de l’Université de Lorraine, présentent la structure cristallographique de gp41 bloquée dans un état intermédiaire de fusion. Cette structure illustre la plasticité conformationnelle des six ancres membranaires disposées de manière asymétrique, avec les peptides de fusion (FP) et les régions transmembranaires (TMR) pointant dans des directions différentes. Des expériences de simulation de dynamique moléculaire montrent la transition entre la conformation intermédiaire mise en évidence par notre structure et la conformation finale post-fusion. De plus, cette nouvelle conformation de gp41, peut être ciblée par des anticorps largement neutralisants (bnAbs) reconnaissant spécifiquement la région externe proximale de la membrane (appelée MPER), hautement conservée chez gp41. Ceci corrobore le fait que ces anticorps spécifiques de la région MPER peuvent bloquer les étapes finales du repliement du peptide de fusion et de la région transmembranaire de gp41, nécessaires pour achever la fusion de la membrane.

Structure of HIV-1 gp41 with its membrane anchors targeted by neutralizing antibodies. Caillat C, Guilligay D, Torralba J, Friedrich N, Nieva JL, Trkola A, Chipot CJ, Dehez FL, Weissenhorn W. Elife 2021 Apr 19 ;10:e65005

Contact : W. Weissenhorn, Professeur UGA rattaché à l’IBS (Groupe Entrée et bourgeonnement des virus enveloppés)

La paléo biochimie, une clé pour comprendre l’apparition des propriétés des enzymes

L’évolution est le processus biologique le plus fondamental. Il est essentiel au maintien du vivant dans un monde en perpétuel changement. Les processus d’évolution impactent l’organisation génomique, la forme, les fonctions et le phénotype des cellules et de leurs biomolécules. Décrire et comprendre les propriétés des protéines ne peut donc se faire que si leur dimension « historique » est prise en compte. En effet toutes les protéines contemporaines sont le fruit de cheminements évolutifs au cours desquels un ensemble de mutations se sont accumulées à partir de protéines primitives. Ces mutations peuvent être neutres, permissives, déstabilisantes, compensatoires, facilitatrices etc. Il en résulte des changements phénotypiques qui ne sont donc pas linéaires dans le temps mais ressemblent plutôt à des variations en dents de scie. La biochimie évolutive permet donc de comprendre le processus fondamental d’échange entre les propriétés dynamiques, structurales et fonctionnelles des enzymes.
A l’aide d’une approche de reconstruction de séquences ancestrales et de résurrection de protéines primitives des chercheurs de l’Institut de Biologie Structurale (IBS, Grenoble) en collaboration avec l’Institut National de Recherche en Science et Technologie du Numérique (INRIA Rennes) et le Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive (LBBE, Lyon) ont récapitulé l’histoire adaptative d’une enzyme du métabolisme face à des conditions physico-chimique extrêmes sur une période de 500 millions d’années. Dans cette étude les chercheurs ont utilisé des malates déshydrogénases issues d’organismes qui vivent dans des environnements ultra salés : les Haloarchaea. Ils ont ressuscité plusieurs protéines ancestrales et comparé leurs propriétés à celles issues de divers hôtes contemporains. Ils ont montré que l’enzyme de l’ancêtre commun le plus ancien des Haloarchaea présente une stabilité conformationelle faiblement dépendante de la concentration en sel du milieu. Dans cette étude, ces chercheurs ont montré que des processus très différents sont à l’œuvre dans le processus adaptatif par rapport aux effets délétères de la forte salinité. De manière inattendue, ils ont analysé que des mutations déstabilisantes dans une circonstance donnée pouvaient être à l’origine d’un gain de stabilité permettant une adaptation secondaire dans un environnement où règne un très haut pH. Ces chercheurs ont aussi montré le rôle très important des transferts latéraux de gènes entre espèces qui permettent une réponse moléculaire adaptative très rapide.
Ces travaux ont révélé que l’activité, la stabilité et la solubilité d’une enzyme sont des paramètres qui évoluent indépendamment les uns des autres, au cours d’un processus adaptatif. Ceci est une donnée essentielle qui doit être prise en compte par les chercheurs qui s’intéressent à l’ingénierie protéique.

Resurrection of Ancestral Malate Dehydrogenases Reveals the Evolutionary History of Halobacterial Proteins : Deciphering gene trajectories and changes in biochemical properties. Samuel Blanquart, Mathieu Groussin, Aline Le Roy, Gergely J Szöllosi, Eric Girard, Bruno Franzetti, Manolo Gouy and Dominique Madern. Molecular Biology and Evolution. Mai 2021

Contact : Dominique Madern, chercheur CNRS de l’IBS (Groupe Extremophiles et grands assemblages moléculaires)

Chimie verte et biocarburants : le fonctionnement d’une photoenzyme clef décrypté

Un consortium international* de scientifiques, dont des chercheurs des groupes DYNAMOP et GSY de l’IBS, a décrypté le mécanisme de fonctionnement de l’enzyme Fatty Acid Photodecarboxylase (FAP), une découverte publiée dans Science le 08/04/2021. Cette photoenzyme est naturellement présente dans de nombreuses algues microscopiques et utilise l’énergie lumineuse pour catalyser la formation d’hydrocarbures à partir d’acides gras.
Pour élucider le mécanisme de cette enzyme unique, les équipes de recherche ont combiné une panoplie d’approches expérimentales et théoriques comprenant la bioingénierie, les spectroscopies optique et vibrationnelle résolues en temps ou couplées à des approches de piégeage d’intermédiaires réactionnels à basse température, les cristallographies statique et cinétique réalisées à des synchrotrons ou avec un laser à électrons libres à rayons X (XFEL), ainsi que des calculs de chimie quantique. L’élucidation du mécanisme catalytique de la FAP et l’identification des intermédiaires et des éléments de structure indispensables à son activité constituent une base incontournable pour l’optimisation de l’enzyme en vue de produire des composés d’intérêt industriel par des procédés plus “verts” et facilement modulables par la lumière. Communiqué de presse

* En France, cette étude a mobilisé des chercheurs issus de l’Institut de Biosciences et Biotechnologies d’Aix-Marseille à Cadarache, de l’Institut de Biologie Intégrative de la Cellule de Gif-sur-Yvette, de l’Institut Polytechnique de Paris à Palaiseau, de l’Institut de Biologie Structurale de Grenoble, des Universités de Lille et de Rennes, de l’Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron et de l’Institut Laue Langevin ; et à l’étranger, des chercheurs de l’Institut Max-Planck d’Heidelberg, de l’Université d’Etat de Moscou et du Laboratoire National d’Accélérateur SLAC de Stanford.

Mechanism and dynamics of fatty acid photodecarboxylase. Sorigué D, Hadjidemetriou K, Blangy S, Gotthard G, Bonvalet A, Coquelle N, Samire P, Aleksandrov A, Antonucci L, Benachir A, Boutet S, Byrdin M, Cammarata M, Carbajo S, Cuiné S, Doak RB, Foucar L, Gorel A, Grünbein M, Hartmann E, Hienerwadel R, Hilpert M, Kloos M, Lane TJ, Légeret B, Legrand P, Li-Beisson Y, Moulin S, Nurizzo D, Peltier G, Schirò G, Shoeman RL, Sliwa M, Solinas X, Zhuang B, Barends TRM, Colletier J-P, Joffre M, Royant A, Berthomieu C, Weik M, Domratcheva T, Brettel K, Vos MH, Schlichting I, Arnoux P, Müller P, Beisson F. Science 2021 ; 372:eabd5687 (https://science.sciencemag.org/content/372/6538/eabd5687/tab-pdf)

Contact IBS : Martin Weik, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Dynamique et Cinétique des processus moléculaires)

Une fusion réussie pour un intermédiaire clé vers le site actif de la nitrogénase

La nitrogénase est une métalloprotéine essentielle qui catalyse la réduction du diazote en ammoniac à température et pression ambiante. Elle joue donc un rôle majeur du cycle global de l’azote. Elle utilise, pour cela, deux centres métalliques : le P-cluster, un centre atypique [Fe8S7] qui permet le transfert d’électron vers le site actif proprement dit qui est un centre organométallique [MoFe7S9C-(R)-homocitrate]. La biosynthèse de ce dernier nécessite l’action d’une douzaine de protéines accessoires regroupées dans la machinerie d’assemblage NIF (pour NItrogen Fixation). La protéine NifB est l’enzyme clé de ce mécanisme car elle est responsable de la fusion de deux centres [Fe4S4] combinée à l’insertion d’un ion carbure et l’ajout d’un ion sulfure pour produire un précurseur [Fe8S9C] appelé NifB-co. Récemment, des collègues américains ont publié une structure cristalline de la protéine NifB avec l’ensemble de ses centres métalliques. Malheureusement, ils ont mal modélisé leurs données cristallographiques et n’ont pas été capable d’identifier le contenu du site actif. En reprenant ces données, des chercheurs du groupe METALLO de l’IBS ont pu mettre en évidence la présence d’un centre [Fe8S8] résultant de la fusion des centres [Fe4S4]. Cette structure cristalline permet dont de redéfinir l’ordre des réactions montrant que la fusion des centres FeS doit avoir lieu avant l’insertion de l’ion carbure. La coordination particulière de cet intermédiaire montre clairement le rôle de la matrice protéique dans l’organisation des étapes de biosynthèse du NifB-co, dévoilant ainsi le mécanisme de l’enzyme.

An unexpected P-cluster like intermediate en route to the nitrogenase FeMo-co. Leon P. Jenner, Mickael V. Cherrier, Patricia Amara, Luis M. Rubio and Yvain Nicolet. Chemical Science DOI : 10.1039/D1SC00289A

Contact : Yvain Nicolet, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Métalloprotéines)

EquipEx+ : l’IBS associé à 2 nouveaux projets d’équipements structurants pour soutenir la recherche

L’action « Equipements structurants pour la recherche » du 3eme Programme d’Investissements d’Avenir EquipEx+ vise à soutenir de nouveaux équipements de recherche de standard international, pour renforcer l’excellence et la compétitivité de la recherche scientifique française. Suite à un appel à manifestations d’intérêt lancé mi-2020, 50 propositions ont été sélectionnées par un jury international et annoncées fin 2020, 32 projets notés A+ et 18 projets A pour un montant global de 422 millions d’euros.

L’IBS est associé à deux des projets lauréats :

  • le projet France CryoEM consiste à équiper la France avec 3 cryo-microscopes électroniques haute énergie de dernière génération, ultra-performants et ultra-stables, permettant d’observer des échantillons au niveau atomique. L’un d’entre eux sera géré par l’IBS et contribuera à faire progresser les connaissances sur les structures du vivant (porteur du projet : IGBMC Illkirch)
  • le projet MAGNIFIX va permettre une mise au meilleur niveau des infrastructures françaises d’investigation aux rayons X durs. La communauté académique et industrielle française pourra ainsi accéder dans les meilleures conditions à la nouvelle source synchrotron de quatrième génération de l’ESRF, via les 5 « Collaborative Research Groups » français dont l’un géré par I’IBS. Cette mise à niveau débutera en 2021 et se poursuivra jusqu’en 2025, en maintenant l’accueil des projets sur ces lignes existantes. (porteur du projet : CNRS)

Comment les polymères remplacent l’eau autour des protéines

© Yann Fichou/IBS/CEA/CNRS/UGA

La danse des molécules d’eau à la surface des protéines solubles leur permet d’être dynamiques et biologiquement actives. Étonnamment, des polymères attachés à une surface d’une protéine peuvent remplacer cette eau d’hydratation et garantissent le maintien de l’activité macromoléculaire. Le mécanisme par lequel les polymères se substituent à l’eau d’hydratation vient d’être découvert par des chercheurs du groupe DYNAMOP à l’IBS, en collaboration avec des collègues des Universités de Californie Irvine, de Bordeaux, de Bristol et de Perugia, ainsi que le Heinz-Maier Leibnitz Zentrum à Garching. La combinaison de spectroscopie neutronique et de simulations par dynamique moléculaire a mis en lumière les mouvements qui animent ce nano-hybride protéine-polymère en absence d’eau. La séparation de la dynamique interne des polymères et de la protéine a été possible à travers une deutération sélective, qui consiste à remplacer des atomes d’hydrogène par des atomes de deutérium. Les chercheurs ont alors observé que les mouvements internes des polymères et des protéines sont qualitativement très similaires. A contrario la dynamique de l’eau est de nature très différente : des mouvements dits segmentaux des polymères substituent les mouvements translationnels des molécules d’eau à la surface de la protéine. Même si cette substitution permet à une protéine de rester fonctionnelle en l’absence d’eau, certains modes dynamiques semblent être supprimés dans la protéine. Ceci pourrait expliquer une certaine baisse de l’activité protéique observée dans les nano-hybrides polymère-protéine. Le travail réalisé indique des pistes pour modifier les polymères de telle façon à minimiser cette baisse, ce qui sera particulièrement important pour l’utilisation des nano-hybrides par les industries pharmaceutiques et cosmétiques.

Diffusive-like motions in a solvent free protein-polymer hybrid. Schirò G, Fichou Y, Brogan APS, Sessions R, Lohstroh W, Zamponi M, Schneider GJ, Gallat F-X, Paciaroni A, Tobias DJ, Perriman A, Weik M. Physical Review Letters 126, 088102

Contacts : Martin Weik, chercheur CEA de l’IBS et Giorgio Schirò, chercheur CNRS de l’IBS - Groupe Dynamique et Cinétique des processus moléculaires

Assemblage supramoléculaire de l’Escherichia coli LdcI en cas de stress acide

Les bactéries possèdent un arsenal sophistiqué de mécanismes de défense qui leur permettent de survivre dans des conditions défavorables. Ainsi l’adaptation au stress acide et à l’hypoxie est cruciale pour la transmission des entérobactéries dans le tube digestif de leur hôte humain. A l’aide de la microscopie de fluorescence super-resolution en trois dimensions et de la cryo-microscopie electronique, les chercheurs du groupe MICA de l’IBS, en collaboration avec l’équipe Pixel du groupe I2SR et de la plateforme M4D de l’IBS, ont montré qu’en réponse au stress acide, l’enzyme decarboxylase à lysine (LdcI) forme des assemblages supramoleculaires in vivo chez E. coli et polymerise en filaments, dont ils ont determiné la structure atomique in vitro. Une combinaison avec des analyses biochimiques, structurales et mutationelles leur a permis de proposer un nouveau modèle moléculaire du mécanisme d’action de LdcI à l’intérieur de la cellule entérobactérienne, fournissant une base structurale et mécanistique pour des études futures de la reponse au stress. Ces travaux ont permis par ailleurs de développer une méthode générale, applicable à tout type de cellules, pour étudier des assemblages moléculaires en combinant les deux types de microscopies tout en préservant leur integrité structurale et leurs interactions avec des partenaires cellulaires.

Supramolecular assembly of the Escherichia coli LdcI upon acid stress. Jessop M, Liesche C, Felix J, Desfosses A, Baulard M, Adam V, Fraudeau A, Huard K, Effantin G, Kleman JP, Bacia-Verloop M, Bourgeois D, Gutsche I. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Jan 12 ;118(2):e2014383118.

Félicitations à Andrea Carfi, ancien doctorant IBS, pour son implication dans le développement du vaccin à ARNm de Moderna

Photo credits : https://masscpr.hms.harvard.edu/vaccines

Nous sommes fiers d’annoncer que Andrea Carfi, actuel vice-président et directeur de la recherche sur les maladies infectieuses chez Moderna (société qui développe le vaccin à ARNm contre la COVID-19), est un ancien doctorant de l’IBS.

Après avoir obtenu un doctorat à l’IBS en 1997 sous la direction d’Otto Dideberg (désormais retraité), Andrea Carfi a effectué un post-doctorat dans le groupe du professeur Don Wiley à l’hôpital pour enfants de Boston (Université de Harvard), croisant ainsi le chemin de l’actuel directeur de l’IBS, le professeur W. Weissenhorn. Andrea Carfi s’est ensuite tourné vers l’industrie, en rejoignant Merck (Rome) en 2002. Il est retourné à Cambridge, MA, États-Unis en 2010 en tant que cadre supérieur, d’abord chez Novartis Vaccines, puis chez GSK Vaccins. Depuis 2017 il a rejoint Moderna et contribué au développement du vaccin à ARNm COVID-19 de Moderna, dont l’utilisation a récemment été approuvée par l’Agence européenne des médicaments (https://www.ema.europa.eu/en/news/ema-recommends-covid-19-vaccine-moderna-authorisation-eu). Ce vaccin est utilise en France contre la Covid 19 depuis le 11 janvier 2021.

En savoir plus :

SARS-CoV-2 mRNA vaccine design enabled by prototype pathogen preparedness. Corbett KS, Edwards DK, Leist SR, Abiona OM, Boyoglu-Barnum S, Gillespie RA, Himansu S, Schäfer A, Ziwawo CT, DiPiazza AT, Dinnon KH, Elbashir SM, Shaw CA, Woods A, Fritch EJ, Martinez DR, Bock KW, Minai M, Nagata BM, Hutchinson GB, Wu K, Henry C, Bahl K, Garcia-Dominguez D, Ma L, Renzi I, Kong WP, Schmidt SD, Wang L, Zhang Y, Phung E, Chang LA, Loomis RJ, Altaras NE, Narayanan E, Metkar M, Presnyak V, Liu C, Louder MK, Shi W, Leung K, Yang ES, West A, Gully KL, Stevens LJ, Wang N, Wrapp D, Doria-Rose NA, Stewart-Jones G, Bennett H, Alvarado GS, Nason MC, Ruckwardt TJ, McLellan JS, Denison MR, Chappell JD, Moore IN, Morabito KM, Mascola JR, Baric RS, Carfi A, Graham BS. (2020). Nature ; 586(7830):567-571.

https://news.harvard.edu/gazette/story/2020/04/harvards-coronavirus-vaccine-efforts/ & https://masscpr.hms.harvard.edu/vaccines