Résumé
De nombreux systèmes biologiques sont intrinsèquement polydispersés, présentant de multiples espèces coexistantes, de taille, de forme ou de conformation différentes (c'est-à-dire, mélanges oligomèriques, des complexes faiblement liés se dissociant en composantes individuelles ou des espèces apparaissant lors de processus amyloïdogéniques). L'étude de tels systèmes complexes est une tâche difficile en raison de l'instabilité des espèces concernées, de leurs concentrations relatives faibles et interdépendantes et des difficultés rencontrées pour l'isolation des composantes pures. Dans cette thèse, j'ai développé des approches méthodologiques pour appliquer la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), une technique de biologie structurale, à l'étude de systèmes polydispersés. SAXS est une technique additive et par conséquent, le diagramme de diffusion mesuré pour un échantillon polydispersé correspond à la somme pondérée en concentration des contributions de chacune des composantes individuelles du mélange. Cependant, la décomposition des données de SAXS en des spectres spécifiques des espèces et de leurs concentrations relatives est extrêmement laborieuse et ambigue. Dans cette thèse, je présente d'abord une approche objective pour solidement décomposer les jeux de données de SAXS en composantes individuelles. Cette approche adapte la méthode chimiométrique « Multivariable Curve Resolution Alternate Least Squares » (MCR-ALS) aux spécificités des données de SAXS. Notre méthode permet une décomposition rigoureuse et robuste des données de SAXS en introduisant simultanément différentes représentations de ces données et par conséquent, en mettant l'accent sur des changements moléculaires à différentes plages de temps et de résolution structurale. Nous avons appliqué cette approche, que nous appelons COSMiCS (Analyse structurelle objective complexe des systèmes multi-composants) pour étudier deux systèmes polydispersés: la fibrillation des protéines, et les fluctuations conformationnelles de protéines grâce à l'analyse de données obtenues à l'aide d’une technique de couplage de chromatographie d'exclusion de taille (SEC) avec le ligne de SAXS (SEC-SAXS). L'importance d'étudier les processus de fibrillation réside dans leur implication dans des pathologies amyloïdogéniques telles que les maladies de Parkinson ou d'Alzheimer. Il existe de fortes indications que les espèces oligomériques solubles, et non les fibrilles matures, sont la cause principale de la cytotoxicité et des dommages neuronaux. Cette observation souligne l'importance de caractériser les premiers stades des processus de fibrillation. Notre approche COSMiCS a permis d'étudier les processus amyloïdogéniques de l'insuline et du mutant familial E46K de l'α-synucléine, une protéine associée à la maladie de Parkinson. Cette analyse permet la caractérisation structurale des espèces présentes (y compris les espèces oligomériques) et la caractérisation cinétique de leurs transformations.La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'utilisation de COSMiCS pour analyser des données de SEC-SAXS. Le SEC-SAXS est extrêmement populaire et a été implémenté sur plusieurs lignes de SAXS à travers le monde. En utilisant des données synthétiques, je démontre la capacité des approches chimiométriques à décomposer des profils chromatographiques complexes. À l'aide de cette approche, j'ai décomposé l’ensemble des données SEC-SAXS mesurés pour la Prolyl OligoPeptidase (POP).En résumé, cette thèse présente une nouvelle approche chimiométrique qui peut être généralement appliquée à tout mélange macromoléculaire pouvant subir une modifacation de son équilibre et pouvant être abordé par SAXS. Les complexes biomoleculaires transitoires, les processus de repliement, les réarrangements structuraux dépendants d’un ligand ou la formation de grands ensembles supramoleculaires peuvent être sondés de façon structurale en utilisant l'approche COSMiCS.