Fundamentals of structural biology - WPMBFSB1

Objectif(s)

Ce cours vise à montrer comment les concepts fondamentaux de l'interaction entre les particules (telles que les photons, les électrons ou les neutrons) et la matière peuvent être utilisés pour obtenir des informations structurales et dynamiques sur des systèmes biologiques contenant des macromolécules, isolées, complexes ou dans leur contexte cellulaire. Après une brève introduction aux approches et méthodes récentes en biologie structurale intégrée, la microscopie électronique, la diffraction et la diffusion des rayons X, ainsi que la résonance magnétique nucléaire seront développées. La complémentarité de ces méthodes pour répondre à des questions biologiques complexes sera également abordée. Ce cours comprendra des travaux pratiques sur une instrumentation avancée et des sessions pratiques sur des plateformes de pointe. Les étudiants acquerront des compétences en acquisition et traitement de données, ainsi qu'en analyse critique des résultats.

Professeurs : D. Housset, R. Schneider, H. Malet.

Contenu(s)

Objectifs plus spécifiques en microscopie électronique
La microscopie électronique est une méthode actuellement considérée comme révolutionnaire en biologie structurale. Les récents développements (i) des technologies de collecte d'images et (ii) des méthodologies de traitement d'images permettent de déterminer la structure de complexes protéiques auparavant extrêmement difficiles à obtenir. Ces avancées ont conduit à des découvertes importantes sur des cibles biologiques d'importance fondamentale et/ou médicale. Dans cette partie du cours, nous étudierons la composition d'un microscope électronique et les principaux développements récents visant à améliorer cet instrument. Nous apprendrons à préparer un échantillon de microscopie électronique monoparticule (coloration négative et cryo-EM) et définirons les différentes stratégies de collecte de données : tomographie, inclinaison conique aléatoire, inclinaison à zéro degré. Nous verrons ensuite comment déterminer une structure par microscopie électronique monoparticule (boxing de particules, alignement et classification 2D, reconstruction 3D, détermination de la résolution, construction de modèles). À l'issue de ce module, l'étudiant sera capable de lire et de comprendre les méthodes permettant de déterminer la structure d'un complexe protéique par cryo-électromagnétisme et de comprendre les points biologiques clés de la structure d'un complexe protéique.
Prérequis :
Connaissances de base sur les protéines (structures primaires, secondaires, ternaires et quaternaires)
Connaissances de base sur les transformées de Fourier

Objectifs spécifiques en résonance magnétique nucléaire
La résonance magnétique nucléaire (RMN) a été développée au milieu des années 80 comme une méthode alternative performante à la cristallographie aux rayons X pour la structure des biomacromolécules. Les progrès de l'instrumentation visant à réduire les besoins en échantillons et à augmenter les rapports signal/bruit, à surmonter les limitations de taille grâce à des schémas d'acquisition de données intelligents, associés à des stratégies de marquage isotopique efficaces, et à mettre en œuvre des algorithmes de traitement de données innovants, ont permis des avancées significatives dans l'extraction d'informations structurales et dynamiques sur des systèmes biologiques de complexité croissante. Plus récemment, la RMN est apparue comme une méthode clé pour étudier les systèmes biologiques intrinsèquement désordonnés, pour fournir des informations structurales sur des états peu peuplés en échange conformationnel avec des états fondamentaux très peuplés, ou pour obtenir des informations cinétiques et thermodynamiques sur des complexes macromoléculaires de faible affinité, parallèlement à des informations structurales. Dans cette partie du cours, nous aborderons les principes fondamentaux de la RMN et découvrirons les développements majeurs réalisés récemment pour améliorer l'instrumentation. Nous apprendrons à manipuler les spins par leur interaction avec un champ magnétique oscillant afin d'obtenir des informations clés pour la détermination de la structure et ses différentes étapes. Nous verrons comment différentes interactions et leurs échelles de temps caractéristiques peuvent être utilisées pour obtenir des informations dynamiques sur la diffusion des protéines en solution, sur le repliement et l'échange conformationnel des protéines, ainsi que sur la forme et la dynamique locale des protéines. Des applications de ces méthodologies pour résoudre des questions biologiques complexes seront présentées tout au long du cours. À l'issue du module, l'étudiant sera capable d'effectuer une lecture critique de la littérature en biologie structurale RMN, d'évaluer la faisabilité d'une détermination structurale et les paramètres à optimiser sur un échantillon biomoléculaire donné, et d'interpréter les paramètres dynamiques et d'interaction sur des mélanges biologiques complexes.
Prérequis :
Des connaissances de base en mécanique quantique sont recommandées.
Connaissances de base en structure des protéines et des acides nucléiques.

Objectifs plus spécifiques en diffraction et diffusion des rayons X.
La cristallographie aux rayons X a été la première technique utilisée pour déterminer la structure d'une protéine à la fin des années 1950. Depuis, et grâce aux progrès considérables des sources de rayons X, des détecteurs, de l'automatisation de la manipulation des cristaux et du traitement des données, la diffraction des rayons X est devenue aujourd'hui la principale source d'informations structurales macromoléculaires, contribuant à près de 90 % des entrées déposées dans la Banque de données sur les protéines et à plus de 150 000 structures de biomolécules à ce jour. Dans cette partie du cours, nous présenterons les principes fondamentaux de la diffusion et de la diffraction des rayons X (appliquées également aux neutrons et aux électrons), ainsi que les différentes méthodes utilisées pour déterminer la structure d'une macromolécule, depuis les principes de cristallisation jusqu'à la collecte et au traitement des données, en passant par la construction et l'analyse de modèles. La diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) sera également explorée, car elle fournit des informations structurales complémentaires utiles sur les macromolécules et leurs complexes en solution. Enfin, l'impact des derniers développements en matière de sources de rayons X (X-FEL, synchrotrons de nouvelle génération) sur notre capacité à collecter des données sur de très petits échantillons et à observer des changements structuraux très rapides (~10 fs) sera abordé.

À la fin de ce module, les étudiants seront capables d'effectuer une lecture critique d'articles présentant des données structurales issues de la cristallographie des rayons X et de la SAXS, afin de mettre en évidence

• Connaissances de base sur les protéines (structures primaires, secondaires, ternaires et quaternaires)
• Connaissances de base sur les transformées de Fourier
• Des connaissances de base en mécanique quantique sont recommandées
• Connaissances de base sur la structure des protéines et des acides nucléiques
• Connaissances de base sur les protéines (structures primaires, secondaires, ternaires et quaternaires)
• Connaissances de base sur les ondes électromagnétiques (photons) et leur interaction avec la matière

Contrôle des connaissances

Semestre 9 - L'examen existe uniquement en anglais 

SESSION NORMALE :
Types d'évaluation : DS
Evaluation rattrapable : DS

• duree : 3h
• documents autorisés : non
• calculatrices autorisées : oui
• possible en distanciel : non

SESSION DE RATTRAPAGE : DS
Evaluation : DS

• duree : 3h
• documents autorisés : non
• calculatrices autorisées : oui
• possible en distanciel : non

Informations complémentaires

Semestre 9 - Le cours est donné uniquement en anglais