Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

PROJET PANA : projet collaboratif international privé en vue de coloniser une exoplanète, appelée Pana. Tant d’énergie, tant de personnes passionnées, tant de rêves, rassemblés dans cette histoire très largement utopique.   Je suis loin d’être la première à tisser une histoire « spatiale », de très nombreux auteurs s’y sont lancés avec beaucoup de talent et de succès.   J’ai eu, très humblement, l’envie de raconter un élan, une vague, une collaboration gigantesque, c’est évidemment là que réside l’utopie. L’histoire commence vers 2020 et se termine en 2160.   Au long de ce siècle et demi, vous découvrirez des personnages qui vont partager et transmettre leurs passions pour le développement, l’équité, l’espace : Leila, Manu, Ernest, Laura, Tim et beaucoup d’autres. Ce n’est donc pas encore l’histoire du voyage vers la planète Pana, c’est celle des quelques personnes qui ont contribué à façonner le projet et à le mener à sa réussite.   C’est une aventure humaine que j’ai eu un immense plaisir à écrire. Mon espoir est que vous aurez autant de plaisir à la lire.       Il est aussi de bon ton de se présenter. Avec un doctorat en chimie, j’ai eu la chance de pouvoir exercer une carrière presque complète comme chercheuse contractuelle à l’Université de Liège, d’abord au Service de Chimie Théorique, ensuite au Centre d’Ingénierie des Protéines. En tant que non statutaire, car mon dernier préavis s’est terminé le jour de mes soixante ans, ce qui m’a offert la possibilité de connaître le chômage pendant plus d’un an, ensuite deux petits remplacements dans l’enseignement secondaire, enfin quatre ans très agréables au Service Informatique du CHU Saint Pierre à Bruxelles. Très belle expérience qui m’a sortie de la tristesse. L’écriture m’a également bien aidée après l’incident « mise au chômage à 60 ans ». J’ai commencé à imaginer des histoires, et à tenter de les écrire, sans les finaliser, juste coucher les idées qui me venaient. Ça détend et ça fait beaucoup rire quand on se relit bien après. Et à un certain moment, je me suis rendu compte que j’avais une structure assez complète et que je pouvais me risquer à aller jusqu’au bout. Peu importe le résultat commercial, pour moi c’était génial.

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Une Terre imaginaire, en 2020. Jusqu’en 2060, la situation générale est extrêmement préoccupante à cause de la dégradation catastrophique des conditions de vie. Des personnages hors du commun vont changer les mentalités et les habitudes des citoyens. Leur vie tournera autour de la création d’une association internationale qui installera un esprit fort de collaboration et de coopération dans le mode de vie et de penser des citoyens. Le travail de ces personnalités attachantes permettra au rêve grandiose de deux milliardaires d’aboutir, en 2068, à la création d’un consortium international privé dont les méthodes de travail seront basées sur la coopération et la transparence. SidTrav a deux buts initiaux : la recherche spatiale approfondie et l’exploitation lunaire et planétaire, essentiellement Mars. Ses perspectives s’élargissent à la mise sur pied de voyages intersidéraux, plus spécifiquement vers une exoplanète ressemblant fortement à la Terre et choisie après des décennies de recherche : Pana. Le voyage est prévu pour durer entre sept-cents et mille ans, selon la vitesse possible le long du trajet. Au cours de ce récit, les tranches de vie des personnages actifs dans l’évolution des mentalités des citoyens et dans la création du consortium permettront de brosser un portrait de la société du moment. Pour mener à bien les différentes facettes de son projet, SidTrav devra fédérer ses équipes pour, non seulement réfléchir aux solutions scientifiques et techniques mais aussi aux problèmes humains. Avant d’aborder la construction des vaisseaux intersidéraux, SidTrav lancera celle de quatre très grandes stations spatiales habitables. Les deux premières accueilleront dix mille personnes chacune, les deux autres pourront héberger cent mille occupants chacune. La vie dans l’espace a ses contraintes spécifiques, que ce soit sur un vaisseau ou sur une station habitable. La sélection des candidats sera une étape cruciale pour garantir la sécurité des seize mille voyageurs répartis sur quatre vaisseaux. Suivez l’histoire prodigieuse de tous ces rêveurs et aventuriers porteurs de ce projet balayant les limites du possible.

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Deze thesis is toegewijd aan de theoretische studie van tryptofaan rotameertoestanden in proteïnen en hun mogelijke implicaties voor het fluorescentieverval. Hiertoe maakten we voornamelijk gebruik van de efficiënte ‘replica exchange’ moleculaire dynamica simulatiemethode en varianten hiervan. Hoe beïnvloeden rotameerconformaties de tijdsgeresolveerde fluorescentie van tryptofaan in proteïnen? Een perspectief gebaseerd op moleculaire modellering en kwantumchemie. We bespraken de dynamica van tryptofaan-rotameren in de context van het niet-exponentieel fluorescentieverval in proteïnen. De centrale vraagstelling is: hoe beïnvloedt de conformationele heterogeniteit de tijdsevolutie van tryptofaan fluorescentie? Dit probleem werd hier bestudeerd vanuit het theoretisch perspectief. We gaven een overzicht van drie methoden van verschillend theoretisch niveau, draagwijdte en computationele vereisten. De Dead-end eliminatie methode is beperkt tot zijketen dynamica en voorziet in een efficiënte manier om de stabiele tryptofaan-rotameren te detecteren in een proteïne. De toepassing van deze methode op de studie van heterogene emissie-eigenschappen werd geïllustreerd. Moleculaire dynamica mikt op de volledige ‘phase space’ van de marcromolecule in oplossing, maar moet steunen op klassieke krachtvelden en de wetten van de klassieke fysica We gingen na tot op welke hoogte het moleculaire mechanica paradigma voldoende accurate thermodynamische resultaten oplevert, en wat de mogelijke kinetische implicaties hiervan zijn. Kwantumchemie tenslotte is de enige theoretische methode die toelaat de geëxciteerde toestanden rechtstreeks te beschrijven. Het is noodgedwongen beperkt tot kleine moleculaire systemen, en moet dus aangewend worden in hybride combinatie met klassieke methoden en elektrostatische modellen. Tot op heden heeft het inzicht in de uitstralende toestand grote progressie gemaakt ten gevolge van deze berekeningen, maar de feitelijke behandeling van de fotofysische verval-processen op het kwantum niveau is nog niet ten volle gestart. Tryptofaanrotameren op een blootgestelde proteïne site: moleculaire dynamica modellering en vergelijking met de X-stralen structuur en fluorescentie-levenstijden. We onderzochten de dynamica van de natieve toestand van de Bacillus caldolyticus cold shock proteïne mutant Bc -Csp L66E, gebruik makende van geschikte moleculaire dynamica methoden. Experimenteel worden twee fluorescentie-levenstijden gevonden, waarvan de amplitudes zeer goed overeenkomen met tryptofaan rotameer populaties, bekomen uit ‘replica exchange’ berekeningen. Rotameer-levenstijden werden voorspeld met behulp van transitietoestandstheorie gebaseerd op simulaties bij hoge temperatuur. Tansitiepaden werden geëxtraheerd uit de transitiesnelheden tussen individuele rotameertoestanden. De moleculaire dynamica maakte ook duidelijk de fluctuaties in de lussen zichtbaar. Tryptofaanrotameren in een geborgen proteïne site: bewijs voor gedeeltelijke ontvouwing in ribonuclease T1 De oorsprong van het biëxponentieel verval van ribonuclease T1 onder licht destabiliserende omstandigheden, zoals verhoogde pH of temperatuur, en de aanwezigheid van detergent, is nog steeds niet gekend. We heben twee lange ‘replica exchange’ moleculaire dynamica simulaties uitgevoerd ten einde een gedetailleerde representatie te bekomen van de natieve toestand in twee protonatietoestanden, representatief voor een hoge en lage pH. Het verschijnen van gedeeltelijk ontvouwde toestanden bij hoge pH werd aangetoond. We vonden dat deze pH-geïnduceerde destabilisatie ontstaat als gevolg van zowel verhoogde globale afstoting als verzwakte gunstige elektrostatische interacties en H-bindingen met His27 en His40. Bij hoge pH verschijnen alternatieve tryptofaan-rotameren en zijn verbonden aan een verstoorde omgeving van tryptofaan, wat ook als een afzonderlijke bron van heterogeniteit in de grondtoestand fungeert. De totale populatie van deze alternatieve rotameren komt goed overeen met de amplitude van de secundaire fluorescentieleeftijd. Hoe wordt cis-trans isomerisatie gecontrolleerd in Dronpa mutanten? Een ‘replica exchange’ moleculaire dynamica studie In het finale hoofdstuk pasten we de verworven MD vaardigheden toe op het bredere probleem van de cis-trans isomerisatie in de chromofoor van een GFP-gerelateerd markeringseiwit. Dronpa, een reversiebel fotoactiveerbare groen fluorescente proteïne analoog, wordt een grote toekomst toegedicht als markeringseiwit voor een verscheidenheid aan nieuwe toepassingen voor visualisatie van cellen en celcomponenten. Gebruikmakend van een ‘replica exchange’ methode die temperatuurs- en Hamiltoniaan-uitwisselingen combineert, werd de dynamica van de elektronische grondtoestand vergeleken tussen Dronpa en twee mutanten die versneld schakelen. De simulatie-data suggereerden dat beide mutaties sterk de flexibiliteit en cis-trans isomerisatie-snelheid van de chromofoor verhogen. We identificeerden drie aminozuren, Val157, Met159 en Phe173, die een sleutelpositie innemen en het ‘bottom hula-twist’ transitiepad kunnen verhinderen, afhankelijk van hun positie en rotameertoestand. We geloven dat onze inzichten zullen helpen het schakelproces te begrijpen en bruikbare informatie zullen verschaffen voor het ontwerpen van nieuwe varianten met verbeterde fluorescentie-eigenschappen. This thesis is devoted to the theoretical study of tryptophan rotamer states in proteins and their possible implications on the fluorescence decay. To this end, we primarily made use of the efficient replica exchange molecular dynamics simulation method and variants thereof. How do rotameric conformations influence the time-resolved fluorescence of tryptophan in proteins? A perspective based on molecular modeling and quantum chemistry We discussed the dynamics of tryptophan rotamers in the context of the nonexponential fluorescence decay in proteins. The central question is: how does the ground-state conformational heterogeneity influence the time evolution of tryptophan fluorescence? This problem was examined here from the theoretical perspective. Three methods at different levels of theory, and with different scopes and computational requirements were reviewed. The Dead-end elimination method is limited to side-chain dynamics and provides an efficient way to detect the stable tryptophan rotamers in a protein. Its application to the study of heterogeneous emission characteristics was illustrated. Molecular dynamics aims at the full phase space of the macromolecule in solution, but must rely on classical force fields and laws of evolution. We examined to what extent the molecular mechanics paradigm yields sufficiently accurate thermodynamic results, and what are the possible kinetic implications. Finally Quantum Chemistry is the only theoretical method that allows a direct assessment of the excited states. It is necessarily restricted to small molecular systems, and thus must be used in a hybrid combination with classical methods and electrostatic models. So far understanding of the emitting state has greatly progressed as a result of these calculations, but the actual treatment of the photophysical decay processes at the quantum level has not yet really started. Tryptophan rotamers at an exposed protein site: molecular dynamics modeling and comparison with X-ray structure and fluorescence lifetimes We investigated the native-state dynamics of the Bacillus caldolyticus cold shock protein mutant Bc -Csp L66E, using appropriate molecular dynamics methods. Experimentally two fluorescence lifetimes are found, the amplitudes of which agree very well with tryptophan rotamer populations, obtained from replica exchange calculations. Rotamer lifetimes were predicted by transition state theory from high-temperature simulations. Transition pathways were extracted from the transition rates between individual rotameric states. The molecular dynamics also revealed the loop fluctuations in the native state. Tryptophan rotamers in a buried protein site: evidence for partial unfolding in ribonuclease T1 The origin of the bi-exponential decay of ribonuclease T1 under mildly destabilizing conditions, such as increased pH or temperature, and the presence of detergent, is still not understood. We have performed two long replica exchange molecular dynamics simulations to obtain a detailed representation of the native state at two protonation states, corresponding to a high and low pH respectively. At high pH, the appearance of partially unfolded states is evident. We found that this pH-induced destabilization originates from increased global repulsion as well as reduced local favorable electrostatic interactions and reduced H-bonding strength of His27 and His40. At high pH, alternative tryptophan rotamers appear and are linked to a distorted environment of the tryptophan, which also acts as a separate source of ground state heterogeneity. The total population of these alternative conformations agrees well with the amplitude of the secondary fluorescence lifetime. How is cis-trans isomerization controlled in Dronpa mutants? A replica exchange molecular dynamics study In the final chapter we applied the acquired MD skills to the broader problem of the cis-trans isomerisation of a GFP-related marker chromophore. The reversibly photoactivatable green fluorescent protein analog Dronpa holds great promise as a marker for various new highly sensitive cellular imaging applications. Using a replica exchange method which combines both Hamiltonian and temperature exchanges, the ground-state dynamics of Dronpa and two mutants with increased switching kinetics, Val157Gly and Met159Thr, were compared. The dominant chromophore state was found to be the cis isomer in all three proteins. The simulation data suggested that both mutations strongly increase the chromophore flexibility and cis-trans isomerization rate. We identify three key amino acids, Val157, Met159 and Phe173, which are able to impede the bottom hula-twist transition path, depending on their position and rotameric state. We believe our insights will help to understand the switching process and provide useful information for the design of new variants with improved fluorescence properties. Conformationele Vrijheid van Chromoforen in Proteïnen met behulp van Moleculaire Modellering Proteïnen zijn macromolekulen die verantwoordelijk zijn voor de werking van een levende cel. Om te begrijpen hoe proteïnen functioneren, is het nodig zich een beeld te vormen van de interne bewegingen die in deze macromolekulen mogelijk zijn. We bestudeerden de dynamische eigenschappen van proteïnen door middel van computersimulaties. Proteïnen bestaan uit een lange hoofdketen met zijketens op regelmatige posities. Deze thesis is gericht op de bewegingen van de zijketens. Bijzondere aandacht ging naar de tryptofaan-zijketen, vanwege haar uitzonderlijke fluorescentie-eigenschappen. De fluorescentie van deze zijgroep is zeer gevoelig aan de vorm van zijn proteïne-omgeving, wat tryptofaan zeer geschikt maakt als sonde voor het volgen van de proteïne-bewegingen. Met onze computersimulaties hebben we het fluorescentiegedrag van kleine model-proteïnen verklaard. Het doel is om deze informatie te kunnen gebruiken voor de studie van andere, nog niet onderzochte proteïnen. Als eerste onderzochten we de cold-shock proteïne. De tryptofaan-zijketen is gelegen aan de oppervlakte van dit globulair eiwit. We ontdekten dat tryptofaan verschillende orientaties kan aannemen, die elk zorgen voor een verschillend fluorescentie-patroon. Ook vonden we dat de orientaties waarbij tryptofaan meer afgeschermd is van het water, stabieler zijn dan de meer aan het water blootgestelde orientaties. Dit resultaat stimuleerde ons om na te gaan of er ook verschillende orientaties kunnen bestaan wanneer de tryptofaan-zijketen binnenin een eiwit zit, volledig afgeschermd van het water. Een goed voorbeeld van een ingesloten tryptofaan wordt aangetroffen in het ribonuclease T1. De simulaties toonden aan dat door de insluiting de beweeglijkheid van de zijketen grotendeels wordt onderdrukt. Evenwel vonden we ook dat in licht basisch milieu een gedeeltelijke ontvouwing van de proteïnestructuur optreedt, waarbij de tryptofaan-omgeving sterk wordt verstoord en meerdere orientaties mogelijk worden. Tenslotte gingen we na of bewegingen ook het fluorescentiegedrag bepalen in dronpa, een sterk fluorescerend molecule dat met behulp van licht aan- en uitgeschakeld kan worden. We zagen dat de fluorescerende groep (de fluorofoor) twee vormen kan aannemen, en dat de overgang tussen deze twee vormen sterk afhankelijk is van de zijketens rond de fluorofoor. Door de simulaties van Dronpa te vergelijken met die van enkele mutanten die nog sneller aan- en uitgeschakeld kunnen worden, waren we in staat het schakelmechanisme beter te begrijpen.