Contrôler l’agrégation de l’insuline à la surface des matériaux via des interactions avec des peptides et la lumière

Orateur : Soutenance de Thèse de Karim CHOUCHANE

Le repliement et la stabilité des protéines dépendent des conditions physico-chimiques de leur environnement. En particulier, le pH, la température, l’agitation et les interactions avec d’autres macromolécules ou avec les interfaces (liquide–surfaces des matériaux ; air-liquide ; etc.) sont connues pour induire des phénomènes de dénaturation et d’agrégation des protéines. Le contrôle de la stabilité des protéines thérapeutiques représente un enjeu médical et économique pour l’industrie pharmaceutique. L’insuline, qui est la protéine thérapeutique la plus produite, est connue in vitro pour former des fibres amyloïdes induites par les surfaces hydrophobes. Les agrégations amyloïdes sont également impliquées dans un certain nombre de pathologies, notamment humaines et animales présentant de forts enjeux de santé publique et économiques. Cette thèse traite en particulier de l’agrégation amyloïde à la surface des matériaux en utilisant l’insuline comme protéine modèle. Les travaux précédents réalisés par notre équipe ont démontré que des peptides de courte longueur avaient la capacité de modifier très significativement la cinétique d’agrégation induite par la surface des matériaux, et ce à des concentrations sub-stœchiométriques par rapport à l’insuline. En particulier les peptides adoptant une conformation secondaire en feuillet beta une fois adsorbés sur les surfaces hydrophobes, induisent une réduction drastique de la durée de nucléation de fibres amyloïdes d’insuline. Dans les travaux présentés ici nous avons découvert des séquences peptidiques présentant, toujours à des concentrations sub-stœchiométriques, deux effets antagonistes sur la cinétique de l’agrégation amyloïde de l’insuline. Le premier effet, coopératif et localisé à la surface de matériaux hydrophobes, résulte en une accélération de la nucléation. A l’inverse le second effet provient des peptides en solution et résulte en une puissante inhibition à la fois de la nucléation et de l’élongation des fibres. Nous avons premièrement caractérisé quantitativement ces effets pour un ensemble de peptides possédant des séquences de type (LK)nL, et investigué les mécanismes à l’origine du phénomène accélérateur. Des mesures quantitatives de fluorescence (Thioflavine T, marquage fluorescent du peptide) ont permis de montrer que l’adsorption coopérative des peptides sur la surface du matériau était responsable de l’accélération de la vitesse de nucléation. Pour l’effet inhibiteur, provenant des peptides en solution, nous avons démontré que cet effet résulte de la liaison des peptides sur l’insuline fibrillaire et qu’il est médié par les charge. De surcroit nous avons étudié la localisation de la nucléation et de l’apparition des premiers agrégats par microscopie à fluorescence. Nous avons observé que les zones situées à l’interface triple matériau-air-solution et subissant une contrainte de cisaillement élevé étaient les sites préférentiels d’apparition des premiers agrégats amyloïdes et donc très probablement les régions dominantes en termes de nucléation. Nous avons enfin développé une technique permettant une croissance localisée, patternable et induite par la lumière d’agrégats amyloïde d’insuline sur une surface de verre. Cette voie d’agrégation singulière ne présente pas de phase de nucléation apparente et dépend strictement de la présence de Thioflavine T. Nous avons montré que la Thioflavine T insérée entre les feuillets béta et qui peut être excitée à 440 nm fournit localement l’énergie nécessaire pour la transition de conformation de l’insuline native adsorbée vers l’état agrégé. Cette méthode permet d’obtenir une croissance différentielle entre des zones de surface hydrophile et hydrophobe.

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