Ajustement de structures moleculaires flexibles dans des films topographiques d'afm a haute vitesse // real-space fitting of flexible molecular structures in high-speed afm topographic movies

Topic description

La biologie structurale cherche à comprendre la fonction des macromolécules en déterminant la position précise de leurs atomes. Ses méthodes traditionnelles (cristallographie aux rayons X, RMN, microscopie électronique), bien qu’efficaces, offrent une vision statique des macromolecules, limitant l’étude de leur dynamique. Un nouveau paradigme émerge : la biologie structurale intégrative, combinant plusieurs techniques pour capturer, entre autre, la dynamique moléculaire. Cependant, malgré les améliorations apportées à la cristallographie sérielle femtoseconde, aux simulations de dynamique moléculaire et à la cryo-tomographie électronique, les méthodes actuelles peinent à atteindre l’échelle temporelle fonctionnelle (millisecondes à secondes).
L'avènement de la nouvelle microscopie à sonde à balayage, et en particulier, le développement récent de la microscopie à force atomique à haute vitesse (HS-AFM), permet d’observer des mouvements moléculaires à l’échelle de la milliseconde, mais manque de résolution atomique pour révolutionner la biologie structurale. L’objectif du sujet proposé est d’exploiter plus en avant l’utilisation de la HS-AFM en modélisant des structures atomiques détaillées au cœur des images obtenues. Les taches seront à la fois biophysique et informatique par l’amélioration de l’outils AFM-Assembly existant qui permet l’ajustement spatial direct de coordonnées atomiques de la molécule cible sous la topographie AFM. Le but est d’appliquer ce protocole à un nouveau type de données massives que sont les films topographiques obtenues par l’AFM à haute vitesse.
La thèse sera menée à l’Institut de biologie structurale de Grenoble, au sein du groupe Microscopie électronique et méthodes (MEM) de l’Institut de recherche interdisciplinaire de Grenoble (IRIG). Elle se fera en collaboration avec le laboratoire DyNaMo de Marseille, spécialisé dans l’acquisition de données haute vitesse en AFM, dans le cadre d'une demande de financement ANR commune.
L’intérêt scientifique du projet est majeur pour la biologie structurale intégrative moderne. Le grand défi scientifique des années à venir en biologie structurale est l’étude et l’analyse de la dynamique des molécules, afin de sortir du paradigme actuel (photographie instantanée) et de participer à l’émergence d’un nouveau paradigme (le film en temps réel).

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Structural biology seeks to understand the function of macromolecules by determining the precise position of their atoms. Its traditional methods (X-ray crystallography, NMR, electron microscopy), although effective, offer a static view of macromolecules, limiting the study of their dynamics. A new paradigm is emerging: integrative structural biology, combining several techniques to capture, among other things, molecular dynamics. However, despite improvements in femtosecond serial crystallography, molecular dynamics simulations, and cryo-electron tomography, current methods struggle to reach the functional time scale (milliseconds to seconds).
The advent of new scanning probe microscopy, and in particular the recent development of high-speed atomic force microscopy (HS-AFM), allows molecular movements to be observed on the millisecond scale, but lacks the atomic resolution to revolutionize structural biology. The objective of the proposed topic is to further exploit the use of HS-AFM by modeling detailed atomic structures at the heart of the images obtained. The tasks will be both biophysical and computational, involving the improvement of the existing AFM-Assembly tool, which allows direct spatial adjustment of the atomic coordinates of the target molecule under AFM topography. The aim is to apply this protocol to a new type of big data, namely topographical movies obtained by high-speed AFM.
The thesis will be conducted at the Institute of Structural Biology in Grenoble, within the Methods and Electron Microscopy (MEM) group of the Grenoble Interdisciplinary Research Institute (IRIG). It will be carried out in collaboration with the DyNaMo laboratory in Marseille, which specializes in high-speed AFM data acquisition, as part of a joint ANR funding application.
The scientific interest of the project is major for modern integrative structural biology. The great scientific challenge of the coming years in structural biology is the study and analysis of molecular dynamics, in order to move beyond the current paradigm (instantaneous photography) and participate in the emergence of a new paradigm (real-time movie).
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble
Service : DBSCI
Ecole doctorale : Chimie et Sciences du Vivant (EDCSV)
Directeur de thèse : Pellequer Jean-Luc
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRIG//IBS
URL :
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Funding category

Public/private mixed funding

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