Thèse Optimisation des Proprietés de Coordination de la Lanmodulin par Modifications Chimiques H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : LCC - Laboratoire de Chimie de Coordination Direction de la thèse : Christelle HUREAU-SABATER ORCID 0000000333390239 Début de la thèse : 2026-11-01 Date limite de candidature : 2026-09-07T23:59:59 Les lanthanides (Ln) sont omniprésents et essentiels dans les technologies modernes, notamment pour la transition vers les énergies vertes, l'optique, les diagnostics médicaux et la radiothérapie. À ce titre, ils ont été identifiés comme des ressources stratégiques par l'Union européenne. Dans ce contexte, la Lanmoduline (LanM), découverte récemment (2018), est une protéine capable de lier les ions Ln. Grâce à ses propriétés de coordination exceptionnelles (par exemple, une affinité élevée et une sélectivité élevées par rapport au Ca(II) et aux métaux du bloc d), elle trouve des applications en biométallurgie et en bio-imagerie. Cependant, les applications de la LanM sont freinées par une faible inertie cinétique et une faible sélectivité intra-Ln. Afin de surmonter ces limitations et de mettre à profit le potentiel de la LanM pour des applications (bio)technologiques, le projet OPTIMAL vise à développer des variants avec des propriétés de coordination optimisées. À cette fin, des modifications chimiques, notamment l'introduction d'acides aminés non natifs (nnAAs) pour la coordination des Ln dans la LanM via une approche semi-synthétique basée sur la ligation chimique native sera mise en place. Cette methode permettra de modifier un fragment protéique avec des nnAA et de le lier avec un fragment LanM non modifié exprimé par expression recombinante. Par ailleurs, une combinaison de caractérisations spectroscopiques avancées seront mise en place (par exemple par 19F-RMN). OPTIMAL fournira des sites artificiels pour lier les Ln avec de très hautes affinité et sélectivité intra-Ln, renforçant ainsi le potentiel des protéines LanM en vue d'applications sociétales. Enfin, OPTIMAL améliorera le niveau de connaissances fondamentales sur les propriétés de coordination des protéines à Ln, qui sont actuellement limitées, apportant ainsi sa contribution à ce domaine de recherche en plein essor. Lanthanides (Ln), the elements from lanthanum (La) to lutetium (Lu), cover essential roles in different fields of modern society (Fig. 1), including green energy (e.g. NdFeB magnets in wind turbines), optical technology (e.g. Nd:YAG lasers), medical diagnosis (e.g. Gd-based contrast agents for magnetic resonance imaging, MRI) and therapy (e.g. 177Lu-based radiopharmaceuticals), and catalysis (e.g. Ce in catalytic converters). As such, they have been identified as strategic resources by the European Union (EU), and ever-growing research interests focus on efficient chelators for Ln mining, recycling and upcycling. In this context, Ln-binding peptides and proteins are emerging as a promising alternative to classical organic chelators for both environmental and biomedical applications, as recently highlighted by the PI and coworkers in a comprehensive review of the field. Since the 2010s, the field of Ln-proteins has expanded rapidly, driven by the discovery of Ln-dependent methylotrophic bacteria and nature's evolved Ln-proteins therein, including Ln-dependent alcohol dehydrogenases (the only known Ln-dependent enzyme) and Lanmodulin (LanM). LanM stands out among the few natural Ln-proteins known due to its peculiar and advantageous coordination properties. Indeed, LanM (112 amino acids, 12 kDa) contains 4 EF-loops (EF1-4), three of which (EF1-3) show the highest affinity for Ln (log K 11 12 at pH 7) among naturally-occurring Ln-proteins as well as the highest selectivity vs Ca2+ (log K 8) and d-block metal ions (log K 6-8 for Cu2+ and Zn2+), and pH stability (down to pH 2). Such outstanding coordination properties have rapidly led to promising applications, spanning Ln recovery and separation, luminescence-based biosensing, as well as radiolabelling and MRI.
Notwithstanding, the following limitations must be lifted to unlock the full potential of LanM and further develop its applications:
- Insufficient thermodynamic and kinetic stability to meet criteria for in vivo applications, for instance as MRI contrast agent or radiotracer; indeed, LanM has much lower thermodynamic stability (log KaGd 12),20 and inertness (dissociation rate constant, koff 10-2 s-1)17 than clinically used polyaminocarboxylate ligands (e. g. for DOTA, log KaGd 17 at pH 7.4 and dissociation rate constant koff 10-6 s-1).
- Low intra-Ln selectivity (i.e. the affinity difference among Ln) for efficient Ln separation, especially when compared to organic chelators (e.g. log KLa = 11.3 and log KHo = 10.6 for LanM,13 whereas log KLa = 15.5 and log K Ho = 18.4 for EDTA, hence log K La/Ho
The OPTIMAL project aims at boosting LanM's coordination properties, notably achieving higher affinity, intra-Ln selectivity and kinetic inertness. These goals will be addressed by incorporating Ln-binding non native amino acids (nnAAs, Fig. 3). In particular, to simplify the synthetic process, phosphorylated amino acids (pAAs: pSer, pThr and pTyr) and carboxyglutamic acid (Gla), which are commercially available, will be incorporated within one (EF1) of the four sites in LanM. To this end, a semi-synthetic approach will be implemented based on Native Chemical Ligation (NCL). In addition to Ln-binding nnAAs, suitable spectroscopic labels, such as 19F tags for 19F-NMR, will be added as site-specific probes of Ln-binding to this modified site.