Dr Dr Cristiano De Michele

Nationalité
Italy
Période
décembre, 2015 - novembre, 2016

Établissement d'origine

“Sapienza” University of Rome - IT

Laboratoire d'accueil

Centre de Biophysique Moléculaire (CBM) / CNRS - FR

Hôte scientifique

Prof. Francesco Piazza

PROJET

Biologie cellulaire sous la perspective de la physique des colloïdes : étude computationnelle des interactions biomoléculaires a mi-chemin entre l’éprouvette  et la cellule.

L’intérieur de la cellule est un milieu très complexe et encombré, avec 40 % de son volume disponible fourmillant de centaines de milliers de biomolécules de tout type et taille, structuré dans des compartiments spécifiques séparés par différentes membranes et rempli de petits organites et structures filamenteuses (cytosquelette). Comment les protéines peuvent-elles repérer leurs partenaires de liaison dans un environnement de telle complexité – ressemblant plus à une ville animée que à un simple substrat biologique, demeure l'une des énigmes les plus insaisissables de la biologie.

Suite aux récents progrès techniques en imagerie, de pair avec les progrès considérables dans les approches computationnels, on est maintenant convaincu que l'environnement lui-même est un facteur clé dans la régulation des processus biochimiques qu'il abrite. Cependant, il est très difficile d’interpréter les expériences de transport et d'association biomoléculaire effectuées dans la cellule, en raison de la pléthore d'effets inconnus et parasites qui sont susceptibles d'affecter les mesures. La solution commune à ces inconvénients est  l’éprouvette (test-tube). Toutefois, afin de pouvoir réaliser des expériences dans les conditions requises, on paie le prix d’étudier une pâle copie du processus d’intérêt, distillé dans des conditions diluées et contrôlées qui cependant l’éloignent  de manière radicale du processus originel.

Le présent projet vise à réaliser une étape intermédiaire, s'arrêtant à mi-chemin entre l'éprouvette et la cellule, dans le domaine des colloïdes. Avec l'aide du chercheur recruté, et en s'appuyant sur des concepts et méthodes issus de la physique des colloïdes, nous allons construire des outils de calcul pour simuler l’association biomoléculaire dans des environnements complexes. Les biomolécules seront modélisées comme des objets durs convexes (ODC) ou des collections d’ODCs librement joints. L'environnement sera rempli d'agents de crowding de forme différente (la forme est un facteur important regulant la mobilité), de taille différente (permettant ainsi d'explorer l'effet de mélanges spécifiques) et tout en variant la concentration (crowding). Les interactions enthalpiques seront modélisées via des tâches de liaison (sticky spots), à savoir des potentiels constants par morceaux locales, qui nous permettront d'explorer les effets de l’encombrement cellulaire sur l'association biomoléculaire suivant le subtil fils rouge des bilans enthalpie/entropie.

Publications in relation with the research project

Publications

Cristiano de Michele
Paolo de los Rios
Giuseppe Foffi
Francesco Piazza
Yanay Ofran
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Link to the publication

In this paper we introduce a fully flexible coarse-grained model of immunoglobulin G (IgG) antibodies parametrized directly on cryo-EM data and simulate the binding dynamics of many IgGs to antigens adsorbed on a surface at increasing densities. Moreover, we work out a theoretical model that allows to explain all the features observed in the simulations. Our combined computational and theoretical framework is in excellent agreement with surface-plasmon resonance data and allows us to establish a number of important results. (i) Internal flexibility is key to maximize bivalent binding, flexible IgGs being able to explore the surface with their second arm in search for an available hapten. This is made clear by the strongly reduced ability to bind with both arms displayed by artificial IgGs designed to rigidly keep a prescribed shape. (ii) The large size of IgGs is instrumental to keep neighboring molecules at a certain distance (surface repulsion), which essentially makes antigens within reach of the second Fab always unoccupied on average. (iii) One needs to account independently for the thermodynamic and geometric factors that regulate the binding equilibrium. The key geometrical parameters, besides excluded-volume repulsion, describe the screening of free haptens by neighboring bound antibodies. We prove that the thermodynamic parameters govern the low-antigen-concentration regime, while the surface screening and repulsion only affect the binding at high hapten densities. Importantly, we prove that screening effects are concealed in relative measures, such as the fraction of bivalently bound antibodies. Overall, our model provides a valuable, accurate theoretical paradigm beyond existing frameworks to interpret experimental profiles of antibodies binding to multi-valent surfaces of different sorts in many contexts.