Quentin Gaday remporte le prix de thèse décerné par le groupe thématique biologie pour son travail de recherche intitulé "Mechanistic insights into corynebacterial divisome complexes involved in cell septation", travail réalisé sous la co-direction d’Anne Marie Wehenkel et de Pedro Alzari, au sein de l’Unité de Microbiologie Structurale de l’Institut Pasteur.
Palmerina Gonzalez Izquierdo remporte le prix de thèse décerné par le groupe thématique chimie pour son travail de recherche intitulé "Synthesis and Physico-Chemical Characterization of Novel Organic-Inorganic Hybrid Halometallate Compounds", travail réalisé sous la direction des Drs Oscar Fabelo ey María Teresa Fernández-Díaz de l’Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble.
Clément Atlan remporte le prix de thèse décerné par le groupe thématique physique pour son travail de recherche intitulé “On Strain in Platinum and Palladium Nanoparticles in an Electrochemical Environment”, travail réalisé sous la direction des Drs Marie-Ingrid Richard, et Frédéric Maillard, dans le cadre d’une collaboration entre le Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) et le Laboratoire d’Électrochimie et de Physicochimie des Matériaux et des Interfaces(LEPMI).
J’ai effectué mon doctorat sous la co-direction d’Anne Marie Wehenkel et de Pedro Alzari, au sein de l’Unité de Microbiologie Structurale de l’Institut Pasteur. L’objectif de ma thèse était d’apporter une meilleure compréhension des mécanismes de séparation cellulaire chez les Corynebacteriales.
Pour se protéger de leur environnement, la quasi-totalité des bactéries possède une paroi cellulaire, majoritairement constituée d’un polymère glyco-protéique, le peptidoglycane. Loin d’être inerte, cette paroi est constamment remodelée au cours du cycle de vie de la bactérie, et doit notamment permettre la formation et la séparation de deux cellules filles viables (la septation) au cours du processus de division cellulaire1. Il existe d'importantes spécificités dans la composition et l'assemblage de la paroi chez les différentes espèces de bactéries. Mon laboratoire travaille sur les Corynebacteriales, un ordre d'Actinobactéries à paroi complexe comprenant d'importants agents pathogènes tels que Mycobacterium tuberculosis et Corynebacterium diphtheriae. La septation des Corynebacteriales se fait par une rupture rapide des parois des deux cellules filles appelée V-snapping2.
De nombreuses enzymes sont impliquées dans la coordination et la réalisation du V-snap. Elles doivent être précisément contrôlées à la fois dans le temps et dans l'espace pour éviter une destruction anarchique de la paroi. Au cours de ma thèse, je me suis dans un premier temps concentré sur RipA, une hydrolase qui catalyse le clivage interne des chaînes peptidiques du peptidoglycane. RipA est une enzyme particulièrement intéressante d’un point de vue thérapeutique : elle a été montrée comme essentielle à la virulence et au bon déroulement de la division cellulaire chez M. tuberculosis3 et C. diphtheriae4. Étant présente dans la paroi, elle est en outre accessible à d’éventuels futurs antibiotiques.
J’ai travaillé sur l’homologue de RipA de C. glutamicum, une bactérie non pathogène modèle des Corynebacteriales. J’ai résolu la structure entière de RipA, qui m’a permis de mettre en évidence que celle-ci est composée de deux domaines : le domaine N-terminal à motif coiled-coil, et le domaine catalytique globulaire5. L’interaction intramoléculaire forte entre ces deux domaines, qui obstrue entièrement la cavité catalytique de RipA, présageait un mécanisme de contrôle de l’activité de l’enzyme par auto-inhibition. J’ai alors validé par des techniques biophysique et biochimique le caractère inhibiteur du domaine N-terminal. L’importante conservation des acides aminés impliqués dans l’auto-inhibition laisse fortement à penser qu’il s’agit d’un mécanisme conservé chez les Corynebacteriales, contrairement à ce qui avait été proposé auparavant à partir d’une structure partielle de l’homologue de RipA de M. tuberculosis6.
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| Figure 1. A. Structure crystallographique entière de RipA. Cette enzyme s’organise en trois domaines : un domaine N-terminal à motif (en bleu), un linker désordonné (dont la densité n’est pas définie dans le crystal), et le domaine catalytique C-terminal (en jaune) B). Zoom sur l’interaction entre les domaines N-terminal et catalytique. L’encart montre que la cystéine catalytique C est maintenue en place par une liaison hydrogène avec un glutamate E très conservé sur le domaine N-terminal |
J’ai ensuite eu à cœur de comprendre comment RipA était activée lors de la division cellulaire. Il avait été montré dans la littérature que RipA interagisseait in vivo avec la protéine transmembranaire SteB, faisant partie de la machinerie de division spécifique aux Corynebacteriales7. J’ai montré que le domaine extracellulaire de SteB (SteBE) active RipA, via une compétition pour le domaine N-terminal. Pour mieux comprendre cette interaction, j’ai résolu la structure crystalline de SteBE5. Une étude bioinformatique a montré la présence d’un motif extrêment conservé chez les Corynebacteriales à la surface de SteBE. En utilisant une prédiction du complexe obtenue à l’aide AlphaFold 2, un logiciel d’intelligence artificiel de prédiction de structure protéique , et la mutagénèse dirigée, j’ai pu alors montrer que ce motif était effectivement le site d’interaction avec RipA.
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| Figure 2. A.) Structure du domaine extracellulaire de SteB, coloré par conservation de séquence chez les Corynebacteriales. La présence d’un patch conservé sur la surface de SteB est à mettre en parallèle avec un patch conservé de fonction inconnue sur le domaine N-terminal de RipA B.) Modèle AlphaFold 2 du complexe SteB – RipA, coloré par confiance de prédiction. La zone d’interaction, prédite avec une haute confiance, correspond aux patchs conservés évoqués en 2A |
Mon travail de thèse contribue ainsi à mieux comprendre comment RipA est controlée au cours de la division cellulaire chez les Corynebacteriales. Loin de constituer une menace pour la biologie structurale expérimentale, Alphafold 2 m’a permis d'apporter un approfondissement enthousiasmant à mes structures crystallographiques.
Références
- J. F. Egan et al., Regulation of peptidoglycan synthesis and remodelling. Nat. Rev. Microbiol.18, 446–460 (2020)
- Zhou et al., Sequential assembly of the septal cell envelope prior to V snapping in Corynebacterium glutamicum. Nat. Chem. Biol.15, 221–231 (2019)
- Healy, et al., Peptidoglycan hydrolases RipA and Ami1 are critical for replication and persistence of Mycobacterium tuberculosisin the host. mBio11, e03315-19 (2020)
- Ott et al., Corynebacterium diphtheriaeinvasion-associated protein (DIP1281) is involved in cell surface organization, adhesion and internalization in epithelial cells. BMC Microbiol.10, 2 (2010)
- Gaday et al., FtsEX-independent control of RipA-mediated cell separation in Corynebacteriales. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 119, e2214599119 (2022)
- Ruggiero et al., Structure and functional regulation of RipA, a mycobacterial enzyme essential for daughter cell separation. Structure18, 1184–1190 (2010)
- C. Lim et al., Identification of new components of the RipC-FtsEX cell separation pathway of Corynebacterineae. PLoS Genet.15, e1008284 (2019)
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La Science des Matériaux vise à concevoir de nouveaux composés et à comprendre leurs propriétés physico-chimiques en relation avec leur structure et leur composition. Les liquides ioniques (ILs) sont des systèmes hybrides organiques-inorganiques qui offrent un intérêt majeur pour la création de matériaux fonctionnels. Parmi eux, les liquides ioniques magnétiques (MILs) ont émergé récemment, suscitant un intérêt croissant en raison de leur capacité à modifier leurs propriétés sous l'influence de champs magnétiques et à offrir des fonctionnalités supplémentaires telles que la thermochromie, la magnétochromie ou la luminescence, entre autres. Cette recherche active nécessite une approche multidisciplinaire impliquant la synthèse, la caractérisation structurale et l'étude des propriétés physico-chimiques et magnétiques.
Mes principaux centres d'intérêt scientifiques, explorés au cours de ma thèse à l'Institut Laue-Langevin à Grenoble, France, en collaboration avec l’Université de Cantabria, Espagne, peuvent être divisés en deux domaines principaux en fonction du type de cation organique utilisé. Initialement, mes recherches étaient axées sur les MILs contenant un cation basé sur l'imidazolium et un anion FeX4 (X = Cl, Br).(1–5) Cette étude visait à comprendre l'impact de la taille et de la symétrie du cation, ainsi que du type d'halogène, sur les propriétés physico-chimiques de ces matériaux.
Pour caractériser ces composés, j'ai utilisé une combinaison de techniques de diffraction des rayons X sur monocristal/poudre et de diffraction des rayons X synchrotron, ainsi que la diffraction des neutrons. Cette approche nous a permis de résoudre les structures cristallines et magnétiques de tous les composés, depuis leur point de fusion jusqu'à 2 K. De plus, nous avons identifié l'importance des liaisons hydrogène dans ces MILs, en utilisant des affinements conjoints des données de diffraction des rayons X synchrotron et des neutrons. Cela nous a permis de placer les atomes d'hydrogène et de caractériser les différentes liaisons hydrogène présentes dans la structure. Cette compréhension approfondie de la structure et du comportement des MILs ouvre la voie à de nouvelles avancées dans le domaine des matériaux magnétiques et ioniques.
La deuxième partie de mes recherches était axée sur des matériaux hybrides combinant des phases plastiques et ferroélectriques. Pour ce faire, j'ai synthétisé et caractérisé des composés à base de quinuclidinium, un cation globulaire susceptible de former des cristaux plastiques, et FeCl4, explorant leur structure cristalline et leurs propriétés magnétiques et électriques.(6–9)
En utilisant la diffraction des rayons X en monocristal et synchrotron sur poudre, j'ai résolu les structures cristallines des composés, observant des phases plastiques à haute température, suivies de phases polaires en refroidissant. La "théorie quasi-sphérique" et l'homochiralité ont été utilisées pour concevoir ces matériaux, induisant des modifications moléculaires pour favoriser la formation de phases ferroélectriques. Les mesures de diffraction des neutrons ont ensuite confirmé les structures magnétiques à longue portée à basse température, révélant un comportement antiferromagnétique dans les deux cas.
Ces résultats démontrent la possibilité de créer de nouveaux matériaux plastiques-ferroélectriques avec des propriétés magnétiques intéressantes. La combinaison de la diffraction aux rayons X et neutrons a été essentielle pour comprendre la structure et les propriétés électriques et magnétiques de ces matériaux multifonctionnels.
Références- González-Izquierdo P, Fabelo O, Beobide G, Vallcorba O, Sce F, Rodríguez Fernández J, et al. Magnetic Structure, Single-Crystal to Single-Crystal Transition, and Thermal Expansion Study of the (Edimim)[FeCl4 ] Halometalate Compound. Inorg Chem. 2018;57(4):1787-95.
- González-Izquierdo P, Fabelo O, Beobide G, Cano I, Larramendi IR de, Vallcorba O, et al. Crystal structure, magneto-structural correlation, thermal and electrical studies of an imidazolium halometallate molten salt: (trimim)[FeCl4]. RSC Adv. 2020;10(19):11200-9.
- González-Izquierdo P, Fabelo O, Cano I, Vallcorba O, Rodríguez Fernández J, Fernández-Díaz MT, et al. Breakdown of the linear physical behavior in a solid solution of a halometallate molten salt, (dimim)[Fe(Cl1−xBrx)4] 0 ≤ x ≤ 1. J Mol Liq. 2021;325:114570.
- González-Izquierdo P, Fabelo O, Cañadillas-Delgado L, Beobide G, Cano I, Vallcorba O, et al. Crystal and magnetic structure of the (trimim)[FeBr4] molten salt: A temperature dependence study. J Mol Liq. 2021;331:115716.
- Scé F, González-Izquierdo P, Cano I, Beobide G, Fabelo O, Vieira BJC, et al. Incommensurate crystal structure, thermal expansion study and magnetic properties of (dimethylimidazolium)2[Fe2Cl6(μ-O)]. J Phys Mater. 2019;3(1):015002.
- González-Izquierdo P, Fabelo O, Canadillas-Delgado L, Beobide G, Vallcorba O, Sánchez-Andújar M, et al. Temperature evolution of (quinuclidinium)[FeCl4]: a plastic/polar magnetic hybrid compound with a giant dielectric constant. J Mater Chem C. 2020;8(33):11389-98.
- González-Izquierdo P, Fabelo O, Cañadillas-Delgado L, Beobide G, Vallcorba O, Salgado-Beceiro J, et al. ((R)-(−)-3-Hydroxyquinuclidium)[FeCl4]; a plastic hybrid compound with chirality, ferroelectricity and long range magnetic ordering. J Mater Chem C. 2021;9(13):4453-65.
- González-Izquierdo P, de Pedro I, Cañadillas-Delgado L, Beobide G, Vallcorba O, Sánchez-Andújar M, et al. Tailoring the physical properties of hybrid magnetic quinuclidine-based plastic compounds via weak interactions. CrystEngComm. 2023;25(4):579-92.
- Pedro I de, Casuso CB, Beobide G, Canadillas-Delgado L, Fabelo O, Fernández JR, et al. Structural and Physico-Chemical Characterization of Hybrid Materials Based on Globular Quinuclidinum Cations Derivatives and Tetrachloridocobaltate(II) Anions. CrystEngComm. 2023
Le prix physique , Clément Atlan :
Dans un contexte de réduction des émissions de CO2, les énergies renouvelables gagnent considérablement en importance au sein de notre société. Cependant, le principal défi demeure leur intermittence qui rend difficile leur utilisation systématique. Pour pallier ce problème, l’hydrogène est envisagé comme la pièce maîtresse d’un paysage énergétique favorable aux énergies vertes. Il permet de stocker l’énergie électrique sous forme de liaisons chimiques, puis est utilisé dans divers mécanismes tels que la régénération d’électricité dans une pile à combustible ou la fabrication de gaz de synthèse.Ce paradigme est envisageable à condition de pouvoir transiter efficacement entre électricité et hydrogène, ainsi que de stocker l’hydrogène sans perte. Les catalyseurs, comme le platine, accélèrent fortement les réactions fondamentales de la pile à combustible, tandis que le palladium, système modèle, permet de stocker de grandes quantités d’hydrogène dans son volume.
Mes travaux visent ainsi à développer notre compréhension de ces catalyseurs présents dans les technologies de conversion et de stockage de l’énergie. Un aspect clé est l’utilisation de l’analyse des déformations comme outil précieux pour capturer des phénomènes d’adsorption en surface et d’absorption dans le volume d’une nanoparticule. L’étude aborde des questions cruciales liées à l’interprétation de ces déformations en tant qu’indicateur d’adsorption ionique. L’idée, déjà développée pour des systèmes similaires en phase gaz, vise à cartographier avec précision les sites d’adsorption dans des conditions électrochimiques et notamment sous contrôle de potentiel.
L’imagerie par diffraction cohérente des rayons X en condition de Bragg (BCDI) [1] apparaît comme une technique particulièrement intéressante, offrant de manière non destructive des informations structurelles sur des nanoparticules uniques. Plus précisément, il est possible de cartographier en trois dimensions les champs de déplacement atomique et des déformations avec des sensibilités atteignant respectivement le picomètre et 10-2% [2]. Généralement d’une résolution de 10 nm, cette technique s’applique ici à des particules de taille comprise entre 200 et 350 nm. L’étude contribue également au développement des concepts de déformations et introduit différentes méthodologies pour la détermination de ces dernières dans le contexte du BCDI. Ces méthodologies sont d’un intérêt particulier lorsqu’il s’agit d’étudier des phénomènes d’adsorption
ou d’absorption.
Les observations, à l’échelle d’une particule unique, démontrent que l’adsorption d’ions bisulfate engendre une évolution des déformations en fonction du potentiel [3]. Des simulations de statique moléculaire et de théorie de la fonctionnelle de la densité appuient les observations expérimentales, notamment en faisant le pont entre l’échelle de mesure du BCDI et l’échelle atomique requise par les simulations des phénomènes d’adsorption.
Lorsque l’hydrogène est absorbé en quantité suffisante dans le palladium, cela entraîne une transition de phase significative et une augmentation notable de son paramètre de maille. Ces mécanismes d’absorption sont examinés en détail en suivant les nanoparticules de palladium individuelles à différents potentiels d’électrode et pendant les transitions de phase induites par l’hydrogénation. Des variations notables allant jusqu’à une augmentation de 3,5 % du paramètre de maille entre les phases riches et pauvres en hydrogène sont observées. Des inversions réversibles des déformations hétérogènes se produisent lors des transitions de phase, ce qui permet de proposer un modèle décrivant cette transition.
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Figure 1: Illustration de l’acquisition BCDI d’une nanoparticule de Pt en opération. Ceci est une vue d’artiste et ne comprend pas les molécules d’eau. Seules les molécules d’anions bisulfates sont représentées. La morphologie de la particule correspond à celle d’une particule de Pt mesurée expérimentalement d’environ 250 nm. Une représentation du pic de Bragg de cette dernière particule est représentée en fond. |
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Figure 2: Cartographie des déformations surfaciques d’une particule de Pt à différents potentiels. Lors de la montée expotentiel, la surface supérieure s’étire le long de la direction verticale. Les facettes latérales, coins et arêtes, quant à eux, se compriment.
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