Stéphane Abel + , Fran ç ois-Yves Dupradeau ║ et Massimo Marchi +

1. Dynamiques moléculaires explicites de micelles de dodecyl maltoside: influence de la conformation de la tête polaire maltose et du champ de forces sur la structure des agrégats formés Stéphane Abel+, François-Yves Dupradeau║ et Massimo Marchi+ +CEA Saclay, DSV/IBITEC-S/SB2SM ║Laboratoire des Glucides UMR 6219 Université de Picardie Jules Verne Journées Modélisation de l’ENS-ENSCP, 15 et 16 juin 2009

2. Plan de la présentation • Les détergents pour la solubilisation des protéines membranaires • Généralités • Les alkyles glycosides et le dodecyl maltoside. • Motivations de l’étude. • Paramétrage de nouvelles charges pour les glycolipides basés sur le champs de force AMBER (GLYCAM06) • Détails des simulations effectuées • Résultats des simulations • Conclusions.

3. Les détergents pour la solubilisation des protéines membranaires (I) • 1- Constats: • Les protéines membranaires (PM) sont amphiphiles par nature (contiennent en même des régions hydrophobes et hydrophiles) • La plupart des techniques de solubilisation des PM se déroulent en milieu aqueux. • Les PM s’agrégeant ou se dénaturant trop rapidement avant de former des cristaux exploitables pour les expériences de RX. • 2 – Idées: • Couvrir les parties hydrophobes des PM pour mimer l’environnement membranaire et par exemple réduire les phénomènes d’agrégation protéines-protéines • « Design » de différents types de détergents (SDS, CHAPS, TX-100, glycolipides, etc.) • Mais leurs succès dépendent du type de détergent et de leurs caractéristiques physico-chimiques. Tiré de Deseinhofer et al., science, 245, 1463

4. Les détergents pour la solubilisation des protéines membranaires (II) • Les alkyles-glycosides • Présent dans les membranes cellulaires • Biodégradables et non toxiques • Utiliser pour l’extraction et la solubilisation « douce » des protéines membranaires. β-Octyl-Glucoside (OG) β-Dodecyl-Maltoside (β-DDM) * * *

5.   La molécule de dodecyl maltoside (DDM) • A deux anomères ( et ) avec des propriétés différentes: • c.m.c : 1.5 x 10-4mol.l-1 () et 2.0 x 10-4mol.l-1 () • Assume former des petites micelles sphériques avec la forme  • (NDDM75-80) alors que la forme  forme des micelles oblates(NDDM 132) • Peu d’informations (essentiellement SANS et SAXS) sur des micelles en solution. • Motivations de l’étude • Construction d’un model moléculaire (fiable) des anomères du DDM pour les simulations de peptides et protéines membranaires. • Comparaisons structurales des agrégats formés en fonction des paramètres du champs de force et de la conformation de la tête polaire maltose pour objectif de modéliser les interactions protéine-peptide/glycolipides.

6. Bibliothèque de paramètres pour les glycolipides à base de glucose basée sur glycam06 α-glucose  (Avec F-Yves Dupradeau) 1 – Optimization geométrique Step 1:GAUSSIAN 2003 Theory level 1: HF Options: Opt=Tight, Redundant Basis set 1: 6-31G** # Configs:2 par sucre et 1 par lipide 2 – Calcul des potentiels électrostatiques moléculaires Step 2:GAUSSIAN 2003 Theory level 2: HF Options: IOp(6/33=2) Basis set 2: 6-31G* Algorithme: CHELPG conf. étendue gg rotamer (57 %) gt rotamer (38 %) tg rotamer (5 %) 3 – Fit des charges Step 3: RESP avec contrainte q=0e sur les atomes H (type HC sp3) => compatibilité avec GLYCAM. Extension à d’autres glycolipides avec l’ajout de différentes « briques ». http://q4md-forcefieldtools.org/REDDB/projects/F-72/

7. Détails des simulations • 2 tailles de micelles pré-assemblées (PA) et self-agrégées (SA) dans les conditions expérimentales d’une phase L1, similaire à celle de Dupuy et al.a • Paramètres des champs de force tirés de CHARMMb et GLYCAM (v06-f)c pour le DDM • Modèle d’eau TIP3 • Thermostat et barostat de Nosé-Hoover et Parrinello-Rahman • Conditions périodiques aux bords, SPME • Simulations NPT (P = 0.1 MPa et T = 297 K) avec le code ORAC (v5.5) a Dupuy et al. (1997); 13, 3965 bKuttel, M. ; Brady, J. W.; Naidoo, K. J. JCC (2002), 23, 1236-1243 c Kirschner, K. N et al. JCC. (2008) 29 (2008) 622-55.

8. L’assemblages des monomères de DDM en micelles • Mêmes conditions de simulations que les systèmes pré-assemblées • Monomères de  et β DDM modélisés avec GLYCAM double exponentielle <Rg> = 25.2 Å < a/c> = 1.7 <Rg> = 20.1 Å < a/c> = 1.8

9. Dimensions et formes des micelles en fonction de la conformation des têtes et du champs de force a/c: rapport axe majeur et mineur de la micelle

10. Paramètres de surfaces des micelles en fonction de têtes et du champs de force • Figures sans les atomes d’hydrogènes • Légende: • En vert Chaine: chaine C12 • En bleu fonce: GlcA • En cyan: GlcB α-DDM (GLYCAM) β-DDM (GLYCAM) Ahrg (exp)(-DDM) = 58 Å2 et (-DDM) = 52 Å2Dupuy et al. 1997

11. Microstructures des micelles en fonction de têtes et du champs de force

12. Hydratation des têtes polaires des détergents MALT a Mol. H2O d’hydratation unique(cutoff 4.0 Å) Warr, 1986; Cecutti et al. 1991 et Dupuy et al. 1997) NwMALT Exp  8 Nwall (Exp)  8-14

13. Conformation des detergents en fonction de têtes et du champs de force CCCC chaine alkyl C12 OCCC jonction tête polaire et chaine C12 Micelle OG (CHARMM) a ftrans=0.81 COCC jonction GlcA-chaine alkyl Micelle OG (CHARMM) a ftrans=0.80 a Bogusz JPCB 104, 5462

14. Conformation des angles φ et ψde la liaison glycosidique α-1-4 φ ψ -DDM -DDM (CHARMM) (φ,ψ)≈(-50o,-33o) Maltose en solution (φ,ψ)exp≈ (-70o,-35o) (RMN, RX) (φ,ψ)AMBER≈(-35o,-20o) (φ,ψ)CHARMM≈(-50o,-35o) (φ,ψ)≈(-50o,-33o) -DDM -DDM (GLYCAM) (φ,ψ)≈(-46o,-32o) (φ,ψ)≈(-47o,-34o)

15. Diffusion de translation de l’eau interfaciale MD micelle LDAOa α = 0.85 w = 3.2 ps MD micelle OGb α = 0.35 w = 15 ps a Sterpone et al. JPCB, 110, 11504 b Bogusz , JPCB 105, 8312 w : temps de résidence Eau pure TIP3 bw=2.8 ps

16. Conclusions Simulation moléculaires explicites de micelles directes des deux conformations de DDM dans les conditions d’une phase L1 expérimentale • Forme des micelles ellipsoïdales (a/c= 1.20-1.35) qui changent peu avec le conformation de la tête polaire et le champs de force. • Dimensions des micelles (Rg compris 20.0 et 26.4 Å) avec un meilleur accord avec l’expérience pour celles obtenues avec le champs de force dérivé d’AMBER. • Peu de changement dans la microstructure des micelles et dans la conformation des détergents en fonction de la conformation de la tête polaire. • L’hydratation des têtes polaires des glycolipides changent peu avec la conformation α et β • Dynamique de l’eau interfaciale ralentie entre 7-10 fois par rapport à l’eau pure et ne varie peu avec la conformation des têtes polaires des molécules de DDM. • Enfin, les résultats obtenus (meilleurs avec AMBER) dépendent sensiblement du champs de force (comparaison en cours avec les nouveaux paramètres CHARMM pour les disaccharides).