Thèse Etude par Simulation Moléculaire du Fonctionnement des Cytochromes Bd H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Chimie École doctorale : Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes Laboratoire de recherche : Institut de Chimie Physique Direction de la thèse : Fabien CAILLIEZ ORCID 0000000244150348 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59 Les cytochromes bd-oxydases forment une famille de protéines membranaires qui catalysent la réduction de l'oxygène en eau, présentes uniquement chez des espèces procaryotes. En plus de cette réduction catalytique du dioxygène, les cytochrome bd oxydases semblent jouer un rôle crucial dans la protection des procaryotes au stress oxydatif, dans la virulence des bactéries, leur adaptabilité, et dans leur résistance aux antibiotiques.

A ce jour, des cytochromes bd provenant de quatre espèces différentes (E. Coli, Mycobacterium smegmatis, Mycobacterium tuberculosis et Corynebacterium glutamicum) sont disponibles, dont la première a été résolue en 2016. Toutes ces structures possèdent en leur sein trois cofacteurs héminiques : 2 hèmes de type b et un hème de type d. L'arrangement spatial de ces 3 hèmes est en revanche différent selon les espèces, de même que l'ordre de leurs potentiels rédox. La compréhension fine du mécanisme catalytique est à ce jour toujours manquante, de même que le rôle de la diversité observée entre les organismes. Il est toutefois admis que les électrons nécessaires à la réduction sont initialement apportés par des quinones (sous leurs formes quinols) qui les transmettent (un par un) à l'un des deux hèmes b (le plus accessible au solvant). Les électrons sont ensuite acheminés par des transferts d'électron entre les hèmes jusqu'à l'hème d, où se déroule l'étape de réduction de O2.

Nous avons débuté il y a quelques années l'étude du Cytochrome bd-I de E. Coli en nous intéressant au transfert d'électron entre le deuxième hème b et l'hème d. Nous avons pour cela réalisé des simulations de dynamique moléculaire de la protéine enchâssée dans une membrane lipidique dans plusieurs états rédox pour évaluer la thermodynamique du processus. Ce projet de thèse s'inscrit dans la continuité de nos premiers travaux et a pour objectif de caractériser différentes étapes du mécanisme catalytique de réduction du dioxygène par les cytochromes bd, en nous focalisant sur le cytochrome bd-I de E. Coli. Ce travail nécessitera l'utilisation d'un large panel de méthodes de modélisation moléculaire allant de la construction de structures 3D de complexes protéiques insérés dans des membranes par des méthodes de bioinformatique à des calculs de chimie quantique, en passant par des simulations de dynamique moléculaire classique. Les principaux points qui seront abordés au cours de ce travail sont les suivants :
1. Détermination et caractérisation du site de fixation des quinones au cytochrome bd, à proximité du premier hème b. Pour ce faire, nous utiliserons des simulations de dynamique moléculaire à l'échelle de la microseconde pour évaluer la pertinence de modèles d'interaction entre les quinones et le cytochrome bd.
2. Etude du transfert d'électron initial entre la quinone (sous sa forme quinol) et le premier hème b. Ces études nécessiteront des approches de dynamique moléculaire dans un formalisme QM/MM afin de tenir compte des échanges de protons qui sont couplés au transfert d'électron.
3. Etude du mécanisme réactionnel de la réduction finale de l'oxygène en eau sur l'hème d, à l'aide de simulations de dynamique moléculaire dans un formalisme QM/MM

Ce projet sera réalisé dans le cadre du projet ANR UTAH, en collaboration avec une équipe de l'Université de Strasbourg et une équipe de l'Université Aix-Marseille. Les résultats obtenus par simulation moléculaire seront ainsi corrélés avec des résultats expérimentaux (spectroscopie IR et RPE) et théoriques (propriétés magnétiques) obtenus par les équipes partenaires et un dialogue expérience/théorie permettra d'enrichir le projet. Les cytochromes bd-oxydases forment une famille de protéines membranaires qui catalysent la réduction de l'oxygène en eau, présentes uniquement chez des espèces procaryotes. Elles possèdent en leur sein trois cofacteurs héminiques : 2 hèmes de type b et un hème de type d. L'arrangement spatial de ces 3 hèmes est en revanche différent selon les espèces, de même que l'ordre de leurs potentiels rédox [1,2]. La compréhension fine du mécanisme catalytique est à ce jour toujours manquante, de même que le rôle de la diversité observée entre les organismes. Il est toutefois admis que les électrons nécessaires à la réduction sont initialement apportés par des quinones (sous leurs formes quinols) qui les transmettent (un par un) à l'un des deux hèmes b (le plus accessible au solvant). Les électrons sont ensuite acheminés par des transferts d'électron entre les hèmes jusqu'à l'hème d, où se déroule l'étape de réduction de O2.
Nous avons débuté il y a quelques années l'étude du Cytochrome bd-I de E. Coli en nous intéressant au transfert d'électron entre le deuxième hème b et l'hème d [3]. Nous avons pour cela réalisé des simulations de dynamique moléculaire de la protéine enchassée dans une membrane lipidique dans plusieurs états rédox pour évaluer la thermodynamique du processus. Nous souhaitons maintenant étendre notre compréhension du fonctionnement de ce cytochrome bd en étudiant différentes étapes du mécanisme enzymatique, partant de la fixation de la quinone jusqu'à la réduction finale du dioxygène. Ce projet de thèse a pour objectif de mieux comprendre le fonctionnement des cytochromes bd, protéines qui catalysent la réduction de O2 en HO chez les procaryotes, à l'issue d'une succession d'étapes de transfert d'électron apportés par des quinones, et qui transitent le long d'une chaîne de 2 hèmes b jusqu'à un hème terminal de type d, où se déroule l'étape finale de réduction du dioxygène. En particulier, nous nous intéresserons en premier lieu au cytochrome bd-I de E. Coli. Les principaux points qui seront abordés dans ce travail sont les suivants :
1. Détermination et caractérisation du site de fixation des quinones au cytochrome bd, à proximité du premier hème b. Pour ce faire, nous utiliserons des simulations de dynamique moléculaire à l'échelle de la microseconde pour évaluer la pertinence de modèles d'interaction entre les quinones et le cytochrome bd.
2. Etude du transfert d'électron initial entre la quinone (sous sa forme quinol) et le premier hème b. Ces études nécessiteront des approches de dynamique moléculaire dans un formalisme QM/MM afin de tenir compte des échanges de protons qui sont couplés au transfert d'électron.
3. Etude du mécanisme réactionnel de la réduction finale de l'eau sur l'hème d, à l'aide de simulations de dynamique moléculaire dans un formalisme QM/MM
L'ensemble des résultats sera mis en corrélation avec des résultats expérimentaux et théoriques (calculs de propriétés magnétiques) obtenus par nos collaborateurs à l'Université de Strasbourg et à l'Université Aix-Marseille. Simulations de dynamique moléculaire
Calculs de chimie quantique

Le candidat recherché devra être titulaire (ou en cours de M2) d'un Master en Chimie ou en Physique Moléculaire, ou dans le domaine de la Modélisation Moléculaire en Biologie comprenant des enseignements ou un stage en chimie théorique ou modélisation moléculaire.