Academic literature on the topic 'Biophysique membranaires'

Les phosphates de polyprényle ont été postulés comme étant des constituants "primitifs" membranaires et les polyprénols pourraient être leurs renforçateurs membranaires. Afin de vérifier si les polyprénols renforçent les membranes de phosphates de polyprényle, nous avons synthétisé différents phosphates de polyprényle avec des longueurs de chaîne comprises entre 15 et 45 atomes de carbones ainsi que des polyprénols, acycliques et cycliques. La synthèse des polyprénols cycliques a nécessité le développement d’une nouvelle voie de synthèse basée sur une cyclisation biomimétique d’allylsilanes au milieu d’une chaîne terpénique. Cette méthode nous a donné accès à la famille des bicyclopolyprénols. Ensuite, en utilisant la technique de microscopie par fluorescence, nous avons étudié l’impact de plusieurs paramètres (tels que la longueur de la chaîne isoprénique, le nombre de doubles liaisons, la présence ou l’absence d’un cycle et le pH), qui pourraient influencer la formation de vésicules dans l’eau des phosphates de polyprényle avec ou sans polyprénols. Nous avons trouvé que les phosphates de polyprényle ayant 15 ou 30 atomes de carbone forment des vésicules géantes dans une large gamme de pH. L’effet renforçateur des polyprénols sur les membranes de phosphates de polyprényle a été prouvé par la mesure de la cinétique de perméabilité à l’eau par diffusion de la lumière par flux à écoulement bloqué. Cette étude a également révélé que certains polyprénols réduisent plus efficacement la perméabilité à l’eau des membranes de phosphates de polyprényle que le cholestérol, le renforçateur membranaire des eucaryotes. Ces résultats appuient notre hypothèse que les polyprénols peuvent être les renforçateurs membranaires "primitifs" des phosphates de polyprényle
We have postulated that polyprenyl phosphates could be “primitive” membrane constituents and that polyprenyl alcohols might play the role of their membrane reinforcers. In order to check whether polyprenols reinforce membrane made of polyprenyl phosphates, we have synthesized polyprenyl phosphates bearing different isopentenyl units (between C15 and C45) and polyprenols with acyclic or cyclic chains. About the synthesis of cyclic polyprenols, we have developed a new method based on biomimetic cyclization of allylsilane in the middle of a terpenic chain. This method gave us an easy access of bicyclopolyprenols. Using fluorescence microscopy, we have studied different parameters (such as chain length, degree of unsaturation, acyclic or cyclic chain and pH), which might affect the formation of vesicles from the system: polyprenyl phosphate/H2O with or without polyprenyl alcohol. We have found that polyprenyl phosphates containing 15 to 30 C-atoms form giant vesicles in a wide pH range. Stopped-flow/light-scattering experiments, which evaluate the water permeability through the membrane of unilamellar vesicles prepared from polyprenyl phosphate/polyprenyl alcohol/H2O, revealed that some polyprenyl alcohols do reduce the water permeability even more efficiently than cholesterol, the ubiquitous reinforcer of eukaryotic membranes. These results give a favourable argument for the hypothesis that polyprenyl alcohols might have been reinforcers of “primitive” membranes made of polyprenyl phosphates

La mycosubtiline est un lipopeptide antimicrobien, produit par différentes souches de Bacillus subtilis et doté de propriétés hémolytiques et antifongiques. Ses activités biologiques sont dues à des interactions avec les membranes plasmiques des cellules cibles. Cependant, les mécanismes moléculaires exacts de ces interactions doivent être approfondis. Le but de ce travail est de déterminer les éléments structuraux importants qui sont impliqués dans l'activité biologique de la mycosubtiline. A cet effet, nous avons utilisé les systèmes biomimétiques membranaires, comme les monocouches de Langmuir ou les multicouches, et nous avons analysé les interactions de la mycosubtiline avec ceux-ci grâce à des outils biophysiques adaptés (tensiométrie de surface, PM-IRRAS, BAM, SHG, FT-IR, RMN). Nous avons démontré qu'il existe une interaction privilégiée du lipopeptide avec les membranes biomimétiques contenant du stérol. Ainsi le résidu tyrosyle de la mycosubtiline et la fonction alcool secondaire des stérols sont impliqués lors de ces interactions. Des modifications importantes de la morphologie de membranes biomimétiques induites par le lipopeptide ont été mises en évidence ; celles-ci sont plus marquées lorsque le système est ternaire, c'est-à dire quand il contient un glycérophospholipide, un stérol et de la sphingomyéline
Mycosubtilin is an antimicrobial lipopeptide, produced by different strains of Bacillus subtilis and possessing hemolytic and antifungal properties. Its biological activities are due to its interactions with the plasma membranes of the target cells. However, the precise molecular mechanisms of these interactions need to be further elucidated. The aim of this work is to determine the structure elements involved in the biological activities of mycosubtilin. For that purpose, we used membrane biomimetic systems, such as Langmuir monolayers or multilayers, and we analyzed the interactions of mycosubtilin with them by applying specific biophysical tools (surface tensiometry, PM-IRRAS, BAM, SHG, FT-IR and RMN). We determined that there is a preferential interaction of the lipopeptide with biomimetic membranes containing sterols. Thus the tyrosyle residue of mycosubtilin and the secondary alcohol group of the sterol are involved in these interactions. Significant changes in the morphology of the biomimetic membranes induced by the lipopeptide were highlighted; these modifications are more pronounced when the system is ternary, i.e. when it contains a glycerophospholipid, a sterol and sphingomyelin

Au cours de cette thèse, nous avons étudié la possibilité d’utiliser des cibles membranaires pour le développement de nouveaux médicaments antipaludiques. Nous avons également proposé un protocole original pour l’étude du mécanisme d’action de certaines molécules à activité antipaludique. Nos travaux reposent sur la caractérisation à l’échelle moléculaire et nanométrique des interactions entre les molécules antipaludiques et des modèles membranaires mimant les membranes parasitaires. En utilisant diverses techniques biophysiques, nous avons montré que la sphingomyéline des membranes du Plasmodium pourrait être une cible intéressante pour les molécules potentiellement antipaludiques comme la Cyclosporine A. De plus, nous avons mis en évidence l’importance des membranes lipidiques dans le mécanisme de détoxification de l’hématine que le parasite met en œuvre en incorporant ces molécules dans un cristal inerte : l’hémozoïne. Ainsi, les observations AFM ont permis de visualiser pour la première fois et en temps réel la formation de ce cristal dans une bicouche lipidique. Enfin, nous avons montré que l’association des molécules antipaludiques avec l’hématine pourrait inhiber la formation de l’hémozoïne en empêchant l’insertion de l’hématine dans les membranes (cas de la chloroquine) ou en augmentant le pouvoir membranotrope de cette molécule (cas des dérivés pipéraziniques de l’acide ursolique)
In this thesis, we have studied the possibility to use membrane targets for the development of new antimalarial drugs. Furthermore, we have proposed an original protocol to study the mechanism of action of certain antimalarial drugs. Our work is based on the characterization at the molecular and nanoscale levels of the interactions between antimalarial drugs and membrane models mimicking parasite membrane. Indeed, using various biophysical techniques, we have shown that sphingomyelin membranes of Plasmodium could be an attractive target for many potential antimalarial compounds such as Cyclosporin A. In addition, we have demonstrated the importance of lipid membranes in the hematin detoxification that is implementing carried out by the parasite by incorporating these molecules in an inert crystal inert called hemozoin. Thus, the AFM observations have allowed us to visualize for the first time and in real time the formation of this crystal in a lipid bilayer. Finally, we have showed that the combination of antimalarial drugs with hematin could inhibit the formation of hemozoin by inhibiting of the insertion of hematin in the membranes (e. G. As in chloroquine) or by the increasing of the membranotrope effect of hematin (for e. G. Derivatives of piperazine ursolic acid derivatives)

La protéine humaine hERG (human ether-à-go-go related gene) s’associe en homo-tétramère pour former le canal potassique voltage-dépendant Kv11.1. C’est un acteur majeur de la repolarisation du potentiel d’action cardiaque par sa capacité à externaliser le potassium du cardiomyocyte. L’altération de sa fonction induit le syndrome du QT long à l’origine d’arythmies cardiaques et pouvant conduire à un arrêt du cœur. Ce syndrome parfois génétique provient le plus souvent d’une inhibition pharmacologique. De nombreux médicaments ont montré leur capacité à inhiber hERG en se fixant dans la lumière du canal. L’étude des interactions moléculaires entre hERG et médicaments intéresse les scientifiques depuis de nombreuses années. Très récemment, la première structure atomique de hERG à l’état ouvert par cryo-microscopie électronique a permis une avancée majeure dans la compréhension de l’agencement du pore du canal. De nombreuses questions restent malgré tout non résolues concernant les mécanismes de liaison des ligands. Plus encore, le développement d’approches biophysiques à partir de canal purifié permettraient de caractériser et d’anticiper des interactions avec les médicaments. Dans cette perspective, nous avons testé plusieurs stratégies pour obtenir le canal hERG purifié dans une forme stable, homogène et fonctionnelle. Notre étude est basée sur une construction simplifiée et chimérique du canal hERG, la version hERG(S1-coil). Chaque étape permettant la production et la purification d’une protéine membranaire a été optimisée en testant différentes techniques proposées par la littérature. Nous avons comparé les rendements d’expression du canal dans différents systèmes recombinants procaryotes ou eucaryotes. La quantité de protéine totale et le pourcentage de protéine fonctionnelle dans les membranes ont été étudiés. Dans un deuxième temps, le canal a été solubilisé puis purifié. Nous avons comparé les rendements de solubilisation et la stabilité protéique en fonction du type de détergent. En parallèle, nous avons mis au point des moyens techniques pour évaluer la fonction du canal au fur et à mesure du processus de production et purification. Le canal hERG(S1-coil) tétramérique et fonctionnel a finalement été identifié dans la fraction purifiée. Cependant, des optimisations sont encore à apporter pour conserver l’agencement tétramérique et empêcher l’agrégation au cours du temps avant de pouvoir envisager des études biophysiques et structurales. A terme, ces travaux pourraient profiter à la production et à la purification d’autres protéines membranaires oligomériques
The human protein hERG (human ether-à-go-go related gene) assembles as homo-tetramer to form the voltage-gated potassium channel Kv11.1. This channel is involved in repolarization of the cardiac action potential by regulating the potassium release from cardiomyocytes. hERG malfunction was found to cause long QT syndrome, a disorder that predisposes affected patients to arrhythmias and sudden death. This can be due to congenital mutation in the hERG gene and, most frequently, it is caused by pharmacological agents. Several drugs are known to block the channel ion pathway, resulting in off-target inhibition of hERG. Consequently, understanding the molecular basis of drug binding to hERG has become a high priority. The recent determination of a near-atomic resolution structure of the opened channel, using cryo-electron microscopy, provides insights into how this channel work. But several questions are still unanswered to understand the mechanisms of hERG function and drug binding. Moreover, new biophysical protocols with the purified hERG channel would help scientists and industries to anticipate drug side effects. In this context, we investigated strategies to purify a stable, homogenous and functional hERG channel. Our study was based on a shorter and chimeric hERG channel, the hERG(S1-coil) version. We optimized each step from production to purification of membrane proteins by testing experimental protocols found in the literature. In this thesis project, we first compared production rates of the channel in several prokaryote and eukaryotes recombinant systems. Total protein produced and the percent of functional channel were investigated in membranes from each recombinant system. Then, the channel was extracted from membranes before purification. Solubilizing rates and channel stability were compared depending on detergents. In another hand, we also developed protocols to investigate the channel stability and function along production and purification. A tetrameric and functional channel was finally purified and identified by this strategy. More work however is still needed to improve channel homogeneity and stability before to be suitable for biophysical and structural studies. In the future, this work could also help investigations in production and purification of other oligomeric membrane proteins

Les rhamnolipides produits par Pseudomonas aeruginosa sont des glycolipides ayant des propriétés élicitrices des réactions de défense de la vigne et d'Arabidopsis thaliana dont le mode de perception est inconnu. En tant que composés amphiphiles, uneinteraction avec la membrane plasmique a été proposée. Au niveau fondamental, il est démontré ici par une approche de biophysique utilisant la RMN du solide et des simulations de dynamique moléculaire in silico, que le caractère amphiphile des RLs favorise leur insertion au sein de modèles lipidiques de membranes de plantes, qui ne sont pas déstabilisés par leur présence. De plus il a été observé, par la réalisation de puces à ADN sur A. thaliana, que la perception de ces composés induisait une reprogrammation transcriptionnelle précoce de grande ampleur. En vue de démontrer l'intérêt agronomique des RLs pour la protection d'une plante de grande culture, leur activité sur le colza (Brassica napus) a également été étudiée. Des marqueurs caractéristiques de la mise en place des réponses de défense ont été observés, ainsi qu'un effet de protection detissus foliaires contre le pathogène B. cinerea, ce qui renforce le potentiel des RLs comme agents de biocontrôle pour la protection des Brassicacées
Pseudomonas aeruginosa rhamnolipids are glycolipids known to trigger defense responses in grapevine and Arabidopsis thaliana but their mode of perception by plants is still unknown. As amphiphilic compounds, rhamnolipids have been proposed to interactdirectly with plasma membrane lipids. Here we show, by a biophysical approach involving solid state NMR and in silico molecular dynamic simulations, that the insertion of rhamnolipids does not disturb the dynamic of plant plasma membrane models. Inorder to characterize early gene expression modifications triggered by rhamnolipids a micro-array study on A. thaliana was realized, revealing a large transcriptional change. The potential of rhamnolipids to protect the agronomical plant Brassica napus was also investigated. Rhamnolipid triggering of chemical and physical defenses associated with efficient protection against the opportunistic pathogenic fungus Botrytis cinerea, used as a model, was shown. Those results highlight a real potential of RLs as biocontrol agents for Brassicaceae protection

Le cancer colorectal pourrait représenter 3,1 millions de nouveaux cas et environ 1,6 million de décès d'ici 2040. Les traitements actuels incluent entre autres des protocoles de chimiothérapie faisant appel à des molécules comme le 5-fluorouracil (5-FU), responsable d’effets secondaires toxiques. De plus, au stade métastatique, environ 90 % des tumeurs deviennent résistantes à la chimiothérapie en raison de la mise en place de mécanismes favorisant l’efflux des molécules, ou encore la survie cellulaire. De tels phénomènes nécessitent la mise en place de nouvelles molécules ou d’alternatives thérapeutiques afin d’augmenter l’efficacité des traitements. Les propriétés biophysiques des membranes sont fortement influencées par leur composition, où le cholestérol joue un rôle important dans la fluidité. Des altérations lipidiques et biophysiques peuvent modifier la progression tumorale en affectant la signalisation cellulaire, la migration, l'invasion des cellules cancéreuses et leur réponse aux traitements. Depuis les années 1990 et la découverte du French Paradox, les polyphénols, tels que le resvératrol (RSV) et le xanthohumol (XN), ont montré des propriétés anticancéreuses in vitro et in vivo, avec un effet sensibilisant aux traitements, bien que les mécanismes précis soient mal connus. Dans ce projet, nous avons souhaité analyser l’impact de l’interaction du RSV et du XN, molécules à fort potentiel d’interaction avec les membranes, sur la biophysique cellulaire et les propriétés mécaniques, impliquées dans la carcinogenèse. Nous avons étudié l'effet de l'exposition au RSV et au XN sur trois lignées cellulaires d'adénocarcinome colorectal à des stades d’avancement différents (SW480, HT29, SW620) et une lignée contrôle non tumorale (CRL1831). Les mesures morphologiques et mécaniques réalisées par microscopie à force atomique (AFM) montrent sur cellules isolées qu’après 24 h d’exposition au RSV et XN, les lignées colorectales cancéreuses voient leur volume cellulaire diminuer ainsi que leur élasticité cellulaire augmenter, ce qui n’est pas observé pour la lignée non cancéreuse CRL1831. Ces paramètres sont associés à des remodelages du cytosquelette cortical ainsi qu’à des phénomènes d’initiation de l’apoptose, corroborés par l’augmentation de l’activité de la caspase-3. L'effet des molécules sur la fluidité membranaire a été évalué avec la sonde fluorescente Laurdan par microscopie confocale. Après exposition de 24 h au RSV ou XN, la fluidité de la membrane plasmique des cellules cancéreuses augmente spécifiquement avec l’agressivité de la lignée. Ces modifications ne sont pas retrouvées chez la lignée non tumorale CRL1831. Nous avons ensuite analysé l’impact du 5-FU en combinaison avec un pré-traitement de 24 h au RSV et XN sur la survie et la mécanique cellulaire, qui montrent que la préexposition des lignées cancéreuses au 5-FU augmente l’efficacité de celui-ci. Nous avons dans un second temps exploré l'impact du RSV et du XN sur la biophysique membranaire, par l’intermédiaire de modèles membranaires simples. L'objectif de ces travaux était d'analyser l'impact de la concentration en cholestérol sur la structure et la dynamique membranaire de même que la réponse à l'interaction par AFM ainsi que par modélisation moléculaire. Les résultats obtenus montrent que le RSV tend à induire une augmentation de l’élasticité membranaire, quelle que soit la teneur en cholestérol. Globalement, nos résultats démontrent l'importance des techniques biophysiques telles que l’AFM pour étudier les altérations des propriétés biophysiques des membranes induites par le RSV et XN. Ces altérations pourraient moduler la réponse aux traitements anticancéreux et influencer la progression de la maladie, ce qui souligne la nécessité d'une approche multidisciplinaire intégrant des méthodes d'analyse biologiques et biophysiques pour évaluer leur potentiel thérapeutique dans le cadre du cancer colorectal
Colorectal cancer is projected to reach 3.1 million new cases and approximately 1.6 million deaths by 2040. Current treatments include chemotherapy regimens using agents like 5-fluorouracil (5-FU), known for their significant toxicity. Moreover, at the metastatic stage, around 90% of tumors develop resistance to chemotherapy due to mechanisms that enhance molecule efflux or promote cell survival. Addressing these challenges requires the development of novel molecules or molecular combinations to enhance chemotherapy efficiency. The biophysical properties of membranes are profoundly influenced by their composition, particularly cholesterol, which affects membrane fluidity. Alterations in lipid composition and membrane biophysical properties can modify tumor progression by impacting cellular signaling, migration, invasion, and response to therapies. Since the 1990s, polyphenols such as resveratrol (RSV) and xanthohumol (XN) have shown promising anticancer activity in both in vitro and animal studies, often enhancing treatment effectiveness, although their precise action mechanisms remain unclear. In this study, we aimed to investigate how RSV and XN, both potent membrane-interacting compounds, affect cellular biophysics and mechanical properties involved in cancer development. We conducted experiments using three stages of colorectal adenocarcinoma cell lines (SW480, HT29, SW620) and a control non-tumor cell line (CRL1831). Atomic force microscopy (AFM) revealed that after 24 hours of exposure to RSV and XN, cancerous colorectal cells exhibited reduced volume and increased cellular elasticity, changes not observed in the control cells. These alterations were associated with cortical cytoskeleton remodeling and initiation of apoptosis, supported by increased caspase-3 activity. Using Laurdan fluorescent probe and confocal microscopy, we found that RSV and XN increased plasma membrane fluidity in cancer cells in a manner dependent on cell line aggressiveness, with no significant effects observed in CRL1831 cells. Furthermore, pre-treatment with RSV and XN for 24 hours enhanced the effectiveness of subsequent 5-FU treatment in cancer cell lines. Once again, control cells were not affected, suggesting a cancer-specific effect. Additionally, we explored the impact of RSV and XN on membrane biophysics using simple model membranes. Our aim was to analyze the impact of cholesterol concentration on membrane structure, as well as the membrane response to interaction with RSV and XN, using AFM and molecular modeling. Our results show that RSV tends to induce an increase in membrane elasticity, irrespective of cholesterol content, providing insights into their therapeutic potential in colorectal cancer. Overall, our results demonstrate the importance of biophysical techniques such as AFM in studying alterations in membrane biophysical properties induced by RSV and XN. These alterations could modulate the response to anticancer treatments and influence disease progression, underscoring the need for a multidisciplinary approach integrating biological and biophysical analysis methods to explore their therapeutic potential in colorectal cancer

Les protéines membranaires sont particulièrement riches en acides aminés aromatiques, tels que le tryptophane (W). On retrouve cette originalité dans beaucoup de peptides antimicrobiens et dans les protéines de fusion virales. La glycoprotéine de l'enveloppe de HIV-1, gp41, en est un exemple. Manifestement, les résidus W sont impliqués dans la perturbation des membranes et la formation des pores. L'objectif de ce travail est d'étudier le rôle des résidus W dans de telles activités en utilisant l'optique non linéaire. Pour cela, nous avons préalablement déterminé l'hyperpolarisabilité (le potentiel non linéaire) du W par la diffusion Hyper Raleigh (HRS). Puis nous avons montré une évolution de la réponse non linéaire de petits peptides synthétiques en fonction du nombre croissant de leurs résidus W. Ces résultats ont permis de suivre l'implication des tryptophanes de deux peptides K3W et gp41W, lors de leurs interactions avec des monocouches lipidiques à l'interface air-eau par la génération de second harmonique (SHG). D'autre part, l'influence de telles interactions sur la structure secondaire et l'orientation des peptides a été déterminée par le PM-IRRAS. Nous avons ainsi montré la cohérence entre les modifications du signal SHG, liées à des changements d'orientation des tryptophanes et celles des spectres de PM-IRRAS, dues à des changements d'orientation de la structure secondaire de gp41W
Membrane proteins are extremely rich in aromatic amino acids, like tryptophan (W). This particularity is found in many antimicrobial peptides and in several virus fusion proteins. An example of these fusion proteins is the HIV-1 envelop glycoprotein, the gp41. It is clear that the W residues are implicated in membrane perturbation and pore formation. The aim of this work was the investigation of the W residue role in such activities, using the nonlinear optic. First, we determined the W hyperpolarizabilité (nonlinear potential) by the Hyper Rayleigh Scattering (HRS). Then, the evolution of the nonlinear signal of small synthetic peptides, as function of the increasing number of their W residues, was demonstrated. These results allowed us to follow the W residue involvement of two peptides, K3W4 and gp41W, in the interaction with lipids monolayer at the air-water interface, using the second harmonic generation (SHG). The influence of such interaction in the peptide structure and orientation was determined using the PM-IRRAS. In conclusion, we showed the coherence between the SHG signal variation, due to the W orientation changes, and the PMIRRAS spectra modification, due to the gp41W helix orientation changes