Gaëlle AUDEOUD

Researches

En français en dessous

My PHD is co-supervised by the LOMA (Thomas Salez, Yacine Amarouchène) et the CBMN (Chemistry and biology of membranes and nano-objects, Marion Mathelié-Guinlet and Lucie Khemtemourian) and I’m studying the aggregation process of amyloids proteins. Historycally associated with certain neurodegenerative diseases and more recently implicated in bacterial resistance and virulence, amyloids proteins are characterized by their ability to aggregate into fibers with a specific structure. This aggregation dynamic and the species formed during the process, are responsible for potentially harmful biological activity. For exemple, the two amyloid proteins studied for this project IAPP and PSMalpha3 are respectively involved in type II diabete and secreted by Staphylococcus aureus. The aggregation process is highly dynamical, environement dependant and create transient and very polydisperse species : monomers aggregate first in small fibers called oligomers, that can grow to become longer fibers, which can then form plaques. If big fibers are pretty well-known and studied with various technics (RMN, cryo-EM), oligomers are difficult to characterize with traditionally used methods despite being suspected to be responsible for the cyto-toxicity of some amyloids proteins. Moreover, the relationship between their strucure and their effect remains poorly understood.

The first aspect of my project is thus the development of an experimental setup using micro-fluidic and taylor dispersion analysis for the study of the aggregation process. Taylor dispersion theory describes the couples advection-diffusion process undergone by objects (here proteins) during their trasnport by flow in the micro-fluidic channel (here a 50 to 150 micrometers diameter capillary). Advection modify the diffusion coefficient of each specie and separates them by size. Thereby, a homogeneous (in concentration) plug injected in the capillary will become a gaussian concentration profil that we can measure with absorption measurement of the proteins while they are being transported in the capillary. From this concentration profil, we can deduce the size distribution of the proteins. The setup contains 3 absorption measurement points in order to temporally resolve the aggregation process. From this measurements we aim to discover the size and numbers of oligomers and their life time before being possibly incorporated in a bigger fiber.

The second aspect of my project is to understand better the environement dependency of the aggregation process, in particular the physcial state in which they are : influence of sedimentation (observed for big fibers), diffusion, flow, confined environnement. To do so, we’re coupling the most used amyloids aggregation equations (Knwoles 2009) with the above processes in a Monte-Carlo simulation : a random draw of the next reaction is performed (primary nucleation of few monomers, elongation of an existing fiber by a monomer, catalyzed by existing fibers secondary nucleation or fragmentation in two pieces of a fiber).

French version

J’effectue ma thèse entre le LOMA et le CBMN (Chimie et Biologie des Membranes et Nano-Objets) sur l’étude de l’aggrégation des protéines amyloïdes. Les protéines amyloïdes désignent des protéines courantes dans la nature, de l’humain aux bactéries, capablent de s’assembler en fibres ordonnées. Une cinquantaine de pathologie dans lesquelles elles jouent un rôle ont maintenant été identifiées : Alzheimer, Parkinson, Diabète de type II ect… Leur processus d’aggrégation en fibre est très dynamique et environnement-dépendant. Il amène à la création d’espèces variés, à la durée de vie parfois éphémères, très polydisperses : les monomères initiaux s’aggrègent d’abord en oligomères (fibres de petites tailles difficiles à observer expérimentalement), puis en fibres plus importantes et enfin en plaques. En particulier j’étudie la protéines IAPP, impliquée dans le diabète de type II et PSMalpha3, sécrétée par le staphylocoque doré.

Si les grosses fibres et les plaques sont des structures aujourd’hui plutôt bien connues grace à diverses techniques expéirmentales (RMN, cryo-EM), les oligomères ne sont pas encore bien caractérisés alors qu’il a été montré (Dresser et al, Methods, 2021) que leur toxicité peut être plus importante que celle des grosses espèces. Ainsi, le premier axe de mon projet consiste au développement expérimental d’une méthode pour la caractérisation des oligomères : un setup couplant micro-fluidique et analyse par dispersion de Taylor, qui me permettra de suivre la dynamique d’aggrégation des protéines par la conaissance de l’évolution de la distribution de taille au cours du processus. La dispersion de Taylor décrit la diffusion advectée (ici dans un capillaire microfluidique de 50 à 150 micromètres de diamètre et 1 mètre de long) de particules (ici les protéines amyloids sous leur diverses formes). L’advection modifie le coefficient de diffusion et sépare les particules par taille. Ainsi, un plug de concentration homogène injecté dans le capillaire deviendra un profil de concentration gaussien. En réalisant une mesure d’absoption de la lumière le long du capillaire, on peut mesurer ce profil de concentration et en déduire la distribution de taille des particules. Nous avons fait le choix de réaliser plusieurs mesures le long du capillaire afin de résoudre en temps, entre les points d’absorption, le très rapide processus d’aggrégation. Notre but est de découvrir la taille et le nombre d’oligomères ainsi que leur duré de vie avant leur possible incorpotation dans une fibre plus longue.

Le deuxième axe d’étude vise à la compréhension de l’influence de l’environnement sur le processus d’aggrégation, en particulier des conditions physique dans lesquels se trouvent les protéines :  influence de la sédimentation (observée pour les très grosses fibres), de la diffusion, de la présence d’un écoulement et de la présence de parois. Pour ce faire, nous utilison des simulations visant à coupler les équations les plus utilisées pour modéliser l’aggrégation (Knowles, Science, 2009) avec les différents processus cité au-dessus. La méthode de résolution utilisée est du type Monte-Carlo : on tire au hasard, suivant sa probabilité, la prochaine réaction qui aura lieu dans notre système (aggrégation de quelques monomères en oligomère, élongation d’une fibre par un monomère, fragmentation d’une fibre en deux morceaux et création de nouvaux monomères en utilisant les fibres existantes comme catalyseurs).

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