Thèse Caractérisation et Compréhension Fonctionnelle d'Assemblage·s Enzymatique·s Membranaire·s Impliqués dans la Biosynthèse des Acides Gras H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse École doctorale : SEVAB - Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingenieries Laboratoire de recherche : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering Direction de la thèse : Isabelle ANDRE ORCID 0000000162804109 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59 En catalysant des réactions chimiques variées, les enzymes sont des macromolécules biologiques essentielles dans toutes les cellules vivantes. Pour assurer leur fonction, elles doivent le plus souvent interagir étroitement avec leur environnement tel que le solvant (milieu aqueux ou lipidiques) mais aussi d'autres enzymes. En effet, pour réaliser la conversion des métabolites de base en métabolites plus complexes d'intérêt pour la cellule, le substrat doit être modifié successivement par différentes enzymes, donnant lieu à des intermédiaires. Dans le vivant, pour optimiser ces étapes, il arrive que les enzymes s'assemblent en complexes multi-enzymatiques pour permettre un transfert efficace de ces intermédiaires d'une enzyme à l'autre. On estime ainsi à plus de 80% l'ensemble des protéines à avoir des interactions transitoires/permanentes avec d'autres molécules dans la cellule [1], et 30% du protéome mammalien est composé de protéines transmembranaires [2]. Cependant, de par leur complexité, très peu d'informations structurales sont disponibles sur ces assemblages enzymatiques.

Ainsi, plusieurs questions fondamentales émergent, (i) quels sont les éléments clés qui dirigent les interactions entre les différentes enzymes partenaires ? (ii) comment les intermédiaires sont-ils transférés d'un partenaire à l'autre (possibilité de substrate channeling) ? (iii) Quels sont les mécanismes réactionnels (intermédiaires covalents) ?

Pour répondre à ces questions, des approches computationnelles, telles que de la modélisation moléculaire multi-échelles (intégrant notamment des méthodes de prédiction structurale basées sur de l'intelligence artificielle (IA) [3-4]), la dynamique moléculaire et des analyses d'énergies (libres) peuvent aider à obtenir une meilleure représentation moléculaire [5-7]. Cependant, la compréhension et ainsi la prédiction d'assemblages enzymatiques fonctionnels restent toujours un défi.
Dans ce contexte, notre équipe (Equipe de Catalyse et Ingénierie Moléculaire Enzymatiques, CIMEs, EAD1) au TBI (Toulouse Biotechnology Institute) s'intéresse plus particulièrement à la biosynthèse de chaînes d'acides gras composant les lipides [8-9] et dans la compréhension de complexes multi-enzymatiques [10]. Ces derniers sont des molécules essentielles, de tailles et de modifications variables (insaturation, estérification,...), ayant un rôle dans la composition et la fluidité des membranes plasmiques ainsi que le stockage d'énergie et sont également des molécules d'intérêt dans les biotechnologies. Parmi, les réactions de biosynthèse d'acides gras, l'élongation permet de contrôler la taille des chaînes aliphatiques. Elle est opérée par 4 étapes enzymatiques (condensation, réduction, déhydratation, réduction), qui impliquent un complexe enzymatique membranaire [11].

Dans le cadre de cette thèse, le premier objectif sera de mieux comprendre la reconnaissance moléculaire des 4 enzymes pour former un complexe supramoléculaire actif en utilisant des techniques de modélisation moléculaire de prédiction structurale basées notamment sur l'intelligence artificielle. Le second objectif sera l'utilisation de cette connaissance pour identifier des déterminants moléculaires et dynamiques clés responsables pour la compréhension du rôle des assemblages moléculaires dans la cascade des réactions catalytiques. Enfin, une étude plus ciblée de la première étape d'élongation, i.e. liaison du substrat, compréhension de la spécificité de taille des chaînes grasses, et mécanisme de réactions (détermination d'intermédiaire covalent) sera réalisée. Des validations expérimentales pourront être envisagées au sein de notre équipe ou à l'aide de collaborations préalablement identifiées.
See above See above The research program will be articulated around the following steps:
1) Investigation of Sequence/Structure/function relationships of fatty acid elongation system.
- Prediction of biological assembly through AI-based method(s) such as AlphaFold and prediction of stoichiometry.
- Sequence and structural analysis and understanding of protein-protein interfaces.
- Molecular Dynamics simulations to study the system stability and the binding free energy of
interfaces.
- Characterization of the assembly by indirect method through mutagenesis or direct method by
cryo-EM approach (in collaboration with experts of the field).
2) Determination of the possibility of substrate channeling
- Binding mode study of substrates/products.
- Analysis of the biological relevance for the four steps of the enzymatic process.
3) Molecular Determinants controlling the length selectivity of elongases (condensation stage)
- Prediction/determination of the entry and binding mode of the substrate.
- Free Energy Calculations for the stability of the substrate.
- Quantum Mechanics Calculations to study catalytic reactions.
4) Thesis and publication writing