Thèse Ajustement en Espace Réel de la Topographie Dynamique de Protéines Obtenue par Microscopie à Force Atomique au Niveau Atomique H/F - Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : CSV- Chimie et Sciences du Vivant
Laboratoire de recherche : Institut de Biologie Structurale
Direction de la thèse : Jean-Luc PELLEQUER ORCID 0000000289442715
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-09T23:59:59

La biologie structurale cherche à comprendre la fonction des macromolécules en déterminant la position précise de leurs atomes. Ses méthodes traditionnelles (cristallographie aux rayons X, RMN, microscopie électronique), bien qu'efficaces, offrent une vision statique des macromolecules, limitant l'étude de leur dynamique. Un nouveau paradigme émerge : la biologie structurale intégrative, combinant plusieurs techniques pour capturer, entre autre, la dynamique moléculaire. Cependant, malgré les améliorations apportées à la cristallographie sérielle femtoseconde, aux simulations de dynamique moléculaire et à la cryo-tomographie électronique, les méthodes actuelles peinent à atteindre l'échelle temporelle fonctionnelle (millisecondes à secondes).
L'avènement de la nouvelle microscopie à sonde à balayage, et en particulier, le développement récent de la microscopie à force atomique à haute vitesse (HS-AFM), permet d'observer des mouvements moléculaires à l'échelle de la milliseconde, mais manque de résolution atomique pour révolutionner la biologie structurale. L'objectif du sujet proposé est d'exploiter plus en avant l'utilisation de la HS-AFM en modélisant des structures atomiques détaillées au coeur des images obtenues. Les taches seront à la fois biophysique et informatique par l'amélioration de l'outils AFM-Assembly existant qui permet l'ajustement spatial direct de coordonnées atomiques de la molécule cible sous la topographie AFM. Le but est d'appliquer ce protocole à un nouveau type de données massives que sont les films topographiques obtenues par l'AFM à haute vitesse.
La thèse sera menée à l'Institut de biologie structurale de Grenoble, au sein du groupe Microscopie électronique et méthodes (MEM) de l'Institut de recherche interdisciplinaire de Grenoble (IRIG). Elle se fera en collaboration avec le laboratoire DyNaMo de Marseille, spécialisé dans l'acquisition de données haute vitesse en AFM, dans le cadre d'une demande de financement ANR commune.

L'intérêt scientifique du projet est majeur pour la biologie structurale intégrative moderne. Le grand défi scientifique des années à venir en biologie structurale est l'étude et l'analyse de la dynamique des molécules, afin de sortir du paradigme actuel (photographie instantanée) et de participer à l'émergence d'un nouveau paradigme (le film en temps réel).

La biologie moléculaire est apparue dans les années 1940, offrant la promesse de comprendre l'activité biologique au niveau moléculaire. Une avancée majeure dans ce domaine a été la découverte de la structure de la double hélice de l'ADN et, plus important encore, de son rôle dans la réplication de l'ADN. Depuis lors, la détermination de la structure atomique précise des molécules est l'objectif principal de la biologie structurale (Burley et al., 1999). Cependant, la promesse d'un atlas complet des structures atomiques déterminées expérimentalement n'a pas encore été réalisée. La récente révolution dans le domaine de la cryo-microscopie électronique (cryo-EM) a considérablement élargi nos connaissances sur les structures des grands assemblages cellulaires, tels que les ribosomes, les pores et récepteurs membranaires, les canaux ioniques, les nucléosomes et les virus, parmi beaucoup d'autres (Egelman, 2016). Toutes les techniques de biologie structurale à haute résolution reposent sur le moyennage des signaux, allant de plusieurs milliers de particules en cryo-EM à des milliers de milliards en cristallographie aux rayons X. Par conséquent, le résultat habituel des techniques expérimentales de biologie structurale est un instantané statique d'un système moléculaire. Depuis leur création, les études par résonance magnétique nucléaire (RMN) ont mis l'accent sur la nature dynamique des structures protéiques et leur impact sur la fonction moléculaire, mais la taille des protéines constituait la principale limite de la RMN, même si des améliorations récentes grâce à des techniques combinées sont notables. Les simulations de dynamique moléculaire (MD) ont ouvert la voie pendant 50 ans à la capture des fluctuations atomiques (de ps à µs) dans la plupart des macromolécules (protéines, ADN, sucres et lipides) et leurs complexes (Perilla et al., 2015). Néanmoins, il est actuellement peu probable qu'une seule méthode expérimentale permette l'observation directe d'une seule structure moléculaire pendante dans un avenir proche. Le défi actuel de la biologie structurale reste la compréhension de la dynamique moléculaire (Grandori, 2023).
Ce défi relève du domaine de la biologie structurale intégrée (Schwalbe et al., 2024), qui combine diverses techniques de biologie structurale, la caractérisation biophysique, les données chimiques et les outils informatiques. Tout récemment, un groupe de travail du Consortium européen pour la recherche en biologie structurale (Instruct-ERIC) a indiqué que l'un des défis futurs dans ce domaine consistait à « établir une corrélation entre la dynamique structurale et la fonction biologique ». La biologie structurale intégrée se concentre essentiellement sur des méthodologies structurelles bien établies telles que la diffraction des rayons X, la RMN et la cryo-microscopie électronique, mais la microscopie à force atomique s'ajoute également à ces efforts (Pellequer, 2024).
L'avènement récent de la microscopie à force atomique 12 et, plus important encore, le développement de sa version à grande vitesse par le professeur Ando à Kanazawa (Ando, 2018) constituent probablement la seule technique biophysique qui relie les instantanés à haute résolution obtenus par rayons X ou cryo-EM et la microscopie à super-résolution (Liu et al., 2022). L'AFM à grande vitesse permet la visualisation directe du mouvement moléculaire, par exemple la myosine V se déplaçant sur l'actine, l'ouverture et la fermeture des récepteurs membranaires, le remodelage membranaire, et bien plus encore (Uchihashi and Scheuring, 2018). Cependant, malgré sa haute résolution temporelle (millisecondes à secondes), le lien entre la topographie AFM et les structures moléculaires sous-jacentes avec des détails atomiques n'a pas encore été pleinement exploité.

Reconstruire au niveau atomique des structures dynamiques de grandes macromolécules (protéines). On entend par dynamique, des structures qui varient au cours du temps, de l'ordre de la msec avec la microscopie à force atomique à haute vitesse.

Le pipeline AFM-Assembly fonctionne dans un environnement Linux. Notre laboratoire dispose d'ordinateurs performants. Le candidat aura pour tâche de modifier certaines parties du pipeline, ce qui nécessitera des connaissances de base en programmation (script Shell et C). Si nécessaire, une partie du code pourra être parallélisée. Toutes ces connaissances sont disponibles dans le laboratoire. Des formations spécifiques seront proposées en fonction des intérêts du candidat et des besoins du projet.
Les données expérimentales en HS-AFM sont déjà accessibles dans notre laboratoire. Des données supplémentaires seront acquises par nos collaborateurs de Marseille, spécialistes mondiaux de l'AFM haute vitesse. Le candidat pourra également participer à l'acquisition de données AFM, soit en statique dans notre laboratoire, soit en dynamique chez nos collaborateurs.

Etudiant avec Master Physique/Chimie ou Biologie Structurale avec un intérêt pour l'informatique, en particulier le monde Linux. Candidat ouvert à la formation en microscopie à force atomique.