Projet ANR-12-ISV5-0002 – LDLPRESS : L’impact de la pression sur la structure et la dynamique moléculaire de particules de lipoprotéine à basse densité
Programme : Blanc International II - SVSE 5 - Physique, Chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc Inter II - SVSE 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Madame Judith PETERS (Université Joseph Fourier Grenoble I (Institut de Biologie Structurale))
Partenaires : Institut de Biologie Structurale; ÖAW Österreichische Akademie der Wissenschaften
Montant : 205903.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Etude des effets de la haute pression hydrostatique sur les lipoprotéines humainesLDLPRESS est un projet qui tend à éclaircir les effets de la haute pression hydrostatique sur la dynamique moléculaire et sur le comportement de la transition de phase lipidique des lipoprotéines humaines à basse densité (LDL) et de ses modifications pour obtenir une meilleure compréhension de l’athérosclérose et des maladies cardiovasculaires.
Meilleure compréhension des maladies associées à la lipoprotéineL’idée globale est de caractériser les nanoparticules naturelles que sont les lipoprotéines et leurs modifications pour gagner une meilleure compréhension des conséquences des changements dus à des maladies cardio-vasculaires. Pour cela nous voulons établir les diagrammes p/T (pression/température) pour la particule native ainsi que de plusieurs modifications qui servent de modèle pour certaines maladies. Des nanoparticules naturelles pourraient en plus avoir un potentiel en tant que transporteur pour des médicaments. Pour pouvoir exploiter cette piste, il faut d’abord connaitre exactement leur comportement sous des conditions externes bien définies de température et de pression. Les lipoprotéines transportent le cholestérol dans le sang et ont une couche lipidique extérieure. C’est pourquoi elles peuvent être pressenties pour transporter également d’autres molécules tout en étant biocampatibles.
Diffusion incohérente neutronique et diffusion aux petits angles par rayons X et neutronsDifférents échantillons, la lipoprotéine native ainsi que des modifications, ont été produits et caractérisés biochimiquement. Certains servent comme modèle pour simuler des modifications connues dues à des maladies cardio-vasculaires. La diffusion incohérente neutronique permet d’étudier la dynamique au niveau atomique dans des échantillons biologiques. La diffusion aux petits angles donne accès à des informations structurales à basse résolution, ce qui permet de corréler l’influence de la haute pression sur la dynamique et la structure. A partir de ces expériences, nous pouvons extraire différentes grandeurs physiques, telles que les déplacements carrés moyens (qui caractérisent la flexibilité d’un échantillon) ou le rayon de giration, qui informe sur la forme géométrique de la nanoparticule. Les deux types d’expériences ont déjà été faits sur les lipoprotéines, ce qui montre clairement que la pression modifie les échantillons, mais nous n’avons pas encore eu assez de temps de faisceau pour couvrir les mêmes gammes en pression et température sur les deux types d’instruments.
Résumé de la soumission : LDLPRESS est un projet de recherche fondamentale et tend à éclaircir les effets de la haute pression hydrostatique sur la dynamique moléculaire et sur le comportement de la transition de phase lipidique des lipoprotéines humaines de basse densité (LDL) et de ses modifications. La pression est une variable thermodynamique qui permet d’étudier des paramètres physiques des macromolécules et d’explorer les propriétés structurales et dynamiques d’ensembles super-moléculaires. Le développement récent de cellules à haute pression spécialement adaptées pour être utilisées en combinaison avec des techniques de diffusion a ouvert la voie pour étudier des systèmes biologiques même plus complexes. En conséquence, l’intérêt central de ce projet  est dirigé vers des nanoparticules LDL natives et biochimiquement modifiées, qui sont des ensembles macromoléculaires de phospholipides, de cholestérol et de graisse stabilisés par une partie protéique. LDLPRESS tend à combiner et rassembler des données obtenues par deux techniques de diffusion complémentaires en présence de la haute pression : la diffusion aux petits angles à rayons X et aux neutrons. Comme cela, nous voulons déterminer des diagrammes caractéristiques pression-température d’échantillons LDL pour les relier à leur comportement dynamique. La conception d’un paysage dynamique similaire à celui de membranes naturelles semble raisonnable pour les lipoprotéines, que nous supposons être très sensibles à la pression. Pourtant, les effets de la haute pression sur les lipoprotéines n’ont encore jamais été étudiés, surtout à cause des difficultés techniques. En même temps, nous nous attendons aussi à des progrès technologiques pour l’application de techniques de diffusion avancées à des systèmes biologiques.Nous avons l’intention de combiner dans le projet LDLPRESS nos connaissances actuelles sur la mobilité et la dynamique de différentes lipoprotéines avec de nouvelles données sous haute pression et avec l’information existante d’études à haute pression sur les protéines et membranes, tout en profitant et en combinant l’expertise complémentaire des partenaires du projet dans les domaines de la technologie à haute pression et des lipoprotéines. Le projet est une approche interdisciplinaire divisée en trois tâches corrélées, incluant les aspects de la préparation et modification des échantillons LDL ainsi que leurs caractérisations biochimiques et biophysiques plus les expériences à neutrons et rayons X. Les objectifs principaux du projet sont : (i) D’étudier le comportement dynamique dépendant de la pression des lipides du noyau en fonction de la température et de la composition chimique. (ii) D’étudier les effets de la composition et de l’état physique des lipides du noyau sur l’enveloppe de surface phospholipidique et sur la dynamique des protéines. (iii) D’étudier l’impact des modifications spécifiques de la LDL sur la dynamique, l’organisation et l’interaction des lipides et protéines sous conditions de haute pression. En combinant toutes ces données, nous nous attendons à obtenir une image plus complète de la structure et dynamique de la LDL qui doivent être discutées en relation avec son rôle biologique. Nous espérons ouvrir la voie à une meilleure compréhension des maladies associées à la LDL – i.e. l’athérosclérose et les maladies cardiovasculaires - et d’explorer de nouvelles solutions basées sur la LDL en vue d’applications médicales.
Résultats : Les expériences de diffusion incohérente neutronique montrent clairement une variation significative des déplacements carré moyens atomiques autour de 300 bar en comparant des températures autour de la transition de fusion du noyau (vers 300 K) de la particule. Ceci montre une corrélation assez forte entre la dynamique moléculaire et une telle transition. 
En parallèle, nous avons entrepris des expériences de diffusion neutronique aux petits angles pour étudier l’influence de la haute pression sur la forme géométrique de plusieurs échantillons de lipoprotéines (natif, oxydé et enrichi avec des lipides). L’échantillon oxydé est un modèle pour la maladie de l’athérosclérose, celui enrichi en lipides pour l’hyperlipémie. Les trois échantillons montrent un comportement différent sous pression, notamment celui enrichi en lipides semble réagir de façon plus sensible à la haute pression. Nous avons pu extraire les rayons de giration de ces mesures, qui augmentent de façon considérable à 3000 bar. Des analyses supplémentaires sont en cours de route pour modéliser plus précisément les géométries des échantillons et de leurs changements, car les formes exactes des lipoprotéines sont encore peu connues.
Perspectives : Comme les résultats décrits ne sont pas suffisants pour caractériser les échantillons de manière complète, nous avons demandé et obtenu beaucoup plus de temps de faisceau dans différents centres de recherche. En octobre et novembre 2014, nous étudierons les même 3 échantillons sur trois spectromètres de l’Institut Laue Langevin, pour élargir la gamme en pression pour nos mesures de la dynamique moléculaire. En plus, nous avons obtenu du temps de faisceau sur un instrument de diffusion aux petits angles à Elettra en Italie. La diffusion aux petits angles par diffusion de neutrons ou de rayons X donne accès à des informations complémentaires et nous permettra alors de combiner les deux résultats.
Publications et brevets : Les expériences neutroniques et de diffusion aux petits angles sont longues et difficiles à analyser. Nous avons élaboré un nouveau programme pour analyser en parallèle des données quasi-élastiques collectées sur différents instruments et fait une communication à un congrès international là-dessus. Une publication a également été soumise sur ce sujet.
Or, nous prévoyons des publications plus importantes au plus tôt dans un an, car le sujet est très complexe.