EXPLORER LA PHYSIQUE DES PROTÉINES AU NIVEAU MOLÉCULAIRE PAR LE NEUTRON ET L'ÉCHAPPEMENT DES RAYONS X

Protein conformational dynamics are believed to ultimately govern the biological activities and functions of proteins. Hence, a deeper understanding of the protein dynamics is crucial for elucidating the structural pathways or the transition mechanisms necessary for regulating the physical and chemical processes. The direct correlation of a wide range of protein dynamics to function still remains unclear, posing a major challenge to biophysical community. In this dissertation, the relationships among the protein's conformation, dynamics and function are investigated using the state-of-the-art neutron and X-ray scattering techniques. Taking the advantage of comparable wavelength or momentum of neutron and X-ray to that of the atoms within biomolecules, we studied the protein dynamics at the molecular level over the timescale of a few femtoseconds to nanoseconds regime. Our results demonstrate that the protein dynamic behavior is similar to that of glass forming liquids, where the relaxation process is non-exponential and the collective excitations are highly damped. Specically, picosecond to nanosecond dynamics, also known as beta-relaxation process decays logarithmically over the time. Remarkably, such dynamic phenomena revealed the direct experimental evidences of structure-dynamics-function relationship of a large variety of protein family, such as a large hyperthermophilic protein, a membrane protein, and the native and denatured globular proteins.First, we used quasi-elastic neutron scattering (QENS) to study the dynamics of a hyperthermophilic protein from the deep-sea on the timescale of picosecond to nanosecond, and revealed that the dynamic property of a mesophilic protein is largely affected by the high pressure and temperature. Specically, high pressure distorts the protein energy landscape and therefore the activity, while the hyperthermophilic protein restraints such effects.Next, the mechanisms of light activation of a G-protein-coupled receptor (GPCR) prototype, rhodopsin, were studied using small-angle neutron scattering (SANS) and QENS. The SANS data indicated the large conformational change in rhodopsin upon photoactivation; the QENS results revealed the signicant difference in the intrinsic protein dynamics between the dark-state rhodopsin and the ligand-free apoprotein, opsin. These observed conformational and dynamical differences in rhodopsin upon photoactivation are due to the influence of the covalently bound retinal chromophore. Eventually, we successfully applied the concept of generic energy landscape based upon the dynamic behavior possessed by the proteins to explain their activities.In the third project, the phonon-like collective excitations in proteins were investigated using inelastic neutron and X-ray scattering techniques. Such excitations correspond to the intrinsic protein dynamics necessary to overcome the conformational barriers, crucial for enzyme catalysis and ligand-binding. Our data show the apparent softening of protein with a rise in temperature, corresponding to the protein conformational flexibility. Specically, our results suggest that the native globular protein balances the protein conformational flexibility and rigidity for the biological activity.Lastly, we used small-angle X-ray scattering (SAXS) to study the conformational change in periplasmic ligand-binding protein (PBP) upon bound to peptide. The three-dimensional shape reconstruction of a periplasmic protein MppA computed from SAXS intensity profile using ab-initio modeling perfectly matches its crystal structure.On pense que la dynamique conformationnelle des protéines régit finalement les activités biologiques et les fonctions des protéines. Par conséquent, une compréhension plus profonde de la dynamique des protéines est cruciale pour élucider les voies structurelles ou les mécanismes de transition nécessaires pour réguler les processus physiques et chimiques. La corrélation directe d'une large gamme de dynamique des protéines avec la fonction reste encore incertaine, ce qui constitue un défi majeur pour la communauté biophysique. Dans cette thèse, les relations entre la conformation, la dynamique et la fonction de la protéine sont étudiées en utilisant les techniques de diffusion de neutrons et de rayons X à la fine pointe de la technologie. Prenant l'avantage d'une longueur d'onde ou d'un momentum comparable de neutrons et de rayons X à celui des atomes dans les biomolécules, nous avons étudié la dynamique des protéines au niveau moléculaire au cours de l'intervalle de quelques femtosecondes en régime de nanosecondes. Nos résultats démontrent que le comportement dynamique de la protéine est similaire à celui des liquides formant des verres, où le processus de relaxation n'est pas exponentiel et les excitations collectives sont fortement amorties. Spécifiquement, la picoseconde à la dynamique des nanosecondes, également connue sous le nom de processus de relaxation bêta, se désintérante logarithmiquement au fil du temps. Il est remarquable que ces phénomènes dynamiques aient révélé les preuves expérimentales directes de la relation structure-dynamique-fonction d'une grande variété de protéines familiales, comme une grande protéine hyperthermophile, une protéine membranaire et les protéines globulaires indigènes et dénaturées.Tout d'abord, nous avons utilisé la diffusion de neutrons quasi élastique (QENS) pour étudier la dynamique d'une protéine hyperthermophile de la haute mer dans l'échelle de temps de la picoseconde à la nanoseconde et a révélé que la propriété dynamique d'une protéine mésophilique est largement affectée par la haute pression Et la température. Spécifiquement, la haute pression déforme le paysage énergétique des protéines et donc l'activité, alors que la protéine hyperthermophile bloque ces effets.Ensuite, les mécanismes de l'activation de la lumière d'un prototype de récepteur couplé à la protéine G (GPCR), la rhodopsine, ont été étudiés à l'aide de la diffusion par neutrons à petit angle (SANS) et QENS. Les données de SANS indiquent le grand changement conformationnel de la rhodopsine lors de la photoactivation; Les résultats QENS ont révélé la différence significative dans la dynamique des protéines intrinsèques entre la rhodopsine de l'état sombre et l'apoprotéine sans ligand, l'opsin. Ces différences conformationnelles et dynamiques observées dans la rhodopsine lors de la photoactivation sont dues à l'influence du chromophore rétinien covalent. Finalement, nous avons appliqué avec succès le concept de paysage énergétique générique basé sur le comportement dynamique possédé par les protéines pour expliquer leurs activités.Dans le troisième projet, les excitations collectives de type phonon dans les protéines ont été étudiées en utilisant des techniques de diffusion de neutrons inélastiques et de rayons X. De telles excitations correspondent à la dynamique intrinsèque des protéines nécessaire pour surmonter les barrières conformationnelles, essentielles pour la catalyse enzymatique et la liaison aux ligands. Nos données montrent l'adoucissement apparent des protéines avec une élévation de température, correspondant à la flexibilité de la conformation protéique. Spécifiquement, nos résultats suggèrent que la protéine globulaire native équilibre la flexibilité et la rigidité conformationnelles de la protéine pour l'activité biologique.Enfin, nous avons utilisé la diffusion de rayons X à petite angine (SAXS) pour étudier le changement conformationnel de la protéine de liaison au ligand périplasmique (PBP) sur le peptide lié au peptide. La reconstruction en forme tridimensionnelle d'une protéine périplasmique MppA calculée à partir du profil d'intensité SAXS utilisant la modélisation ab-initio correspond parfaitement à sa structure cristalline