Approches computationnelles pour le design de protéines

Computational Protein Design (CPD) is a very young research field which aims at providing predictive tools to complementprotein engineering. Indeed, in addition to the theoretical understanding of fundamental properties and function of proteins,protein engineering has important applications in a broad range of fields, including biomedical applications, biotechnology,nanobiotechnology and the design of green reagents. CPD seeks at accelerating the design of proteins with wanted propertiesby enabling the exploration of larger sequence space while limiting the financial and human costs at experimental level.To succeed this endeavor, CPD requires three ingredients to be appropriately conceived: 1) a realistic modeling of the designsystem; 2) an accurate definition of objective functions for the target biochemical function or physico-chemical property; 3)and finally an efficient optimization framework to handle large combinatorial sizes.In this thesis, we addressed CPD problems with a special focus on combinatorial optimization. In a first series of studies, weapplied for the first time the Cost Function Network optimization framework to solve CPD problems and found that incomparison to other existing methods, it brings several orders of magnitude speedup on a wide range of real CPD instancesthat include the stability design of proteins, protein-protein and protein-ligand complexes. A tailored criterion to define themutation space of residues was also introduced in order to constrain output sequences to those expected by natural evolutionthrough the integration of some structural properties of amino acids in the protein environment. The developed methods werefinally integrated into a CPD-dedicated software in order to facilitate its accessibility to the scientific community.Le Design computationnel de protéines, en anglais « Computational Protein Design » (CPD), est un champ derecherche récent qui vise à fournir des outils de prédiction pour compléter l'ingénierie des protéines. En effet,outre la compréhension théorique des propriétés physico-chimiques fondamentales et fonctionnelles desprotéines, l’ingénierie des protéines a d’importantes applications dans un large éventail de domaines, y comprisdans la biomédecine, la biotechnologie, la nanobiotechnologie et la conception de composés respectueux del’environnement. Le CPD cherche ainsi à accélérer le design de protéines dotées des propriétés désirées enpermettant le traitement d’espaces de séquences de large taille tout en limitant les coûts financier et humain auniveau expérimental.Pour atteindre cet objectif, le CPD requière trois ingrédients conçus de manière appropriée: 1) une modélisationréaliste du système à remodeler; 2) une définition précise des fonctions objectives permettant de caractériser lafonction biochimique ou la propriété physico-chimique cible; 3) et enfin des méthodes d'optimisation efficacespour gérer de grandes tailles de combinatoire.Dans cette thèse, nous avons abordé le CPD avec une attention particulière portée sur l’optimisationcombinatoire. Dans une première série d'études, nous avons appliqué pour la première fois les méthodesd'optimisation de réseaux de fonctions de coût à la résolution de problèmes de CPD. Nous avons constaté qu’encomparaison des autres méthodes existantes, nos approches apportent une accélération du temps de calcul parplusieurs ordres de grandeur sur un large éventail de cas réels de CPD comprenant le design de la stabilité deprotéines ainsi que de complexes protéine-protéine et protéine-ligand. Un critère pour définir l'espace demutations des résidus a également été introduit afin de biaiser les séquences vers celles attendues par uneévolution naturelle en prenant en compte des propriétés structurales des acides aminés. Les méthodesdéveloppées ont été intégrées dans un logiciel dédié au CPD afin de les rendre plus facilement accessibles à lacommunauté scientifique