Déterminants de la sélectivité d’interaction entre ions lanthanides et actinides et le domaine N-terminal de la calmoduline // Determinants of the Interaction Selectivity Between Lanthanide and Actinide Ions and the N-Terminal Domain of Calmodulin

Les lanthanides sont des métaux d’intérêt stratégique, pour lesquels de nouveaux procédés d’extraction plus sélectifs sont recherchés. Les métallo-protéines sont des macromolécules capables de réguler de façon très fine les propriétés des sites métalliques, leur affinité et leur sélectivité pour le métal d’intérêt. Le but de cette thèse est d’optimiser des sites protéiques affins pour les lanthanides (Ln(III)) et l’américium (Am(III)) et surtout sélectifs au sein de la série des Ln(III) ou entre Am(III) et Ln(III).
Elle s’appuiera sur les travaux récents des équipes BIAM/IPM et ISEC/LILA qui ont montré la possibilité de générer des sites affins pour les Ln(III) et l’Am(III), LogK ˜ 9-12, en introduisant un peptide de fixation des lanthanides (LBT, Nitz et al. 2004) en place du site de fixation du calcium sur le domaine N-terminal de la calmoduline (Berthomieu et al. 2026 EurJIC; Daronnat et al. en préparation).
L’objectif de cette thèse est d’explorer l’effet des modifications de la séquence d’acides aminés impliquée dans la liaison des lanthanides dans les sites 1 et 2 du domaine N-terminal de la calmoduline sur l’affinité de la protéine et sa sélectivité intra-lanthanides ou Ln(III)–Am(III) ainsi que son effet sur une éventuelle coopérativité de fixation entre les deux sites. Des protéines/peptides de plus petite taille seront également étudiés pour optimiser les capacités de capture et permettre l’obtention de données structurales par RMN en solution.
Cette thèse mettra en jeu de l’ingénierie protéique (évolution dirigée ciblée, modifications post-traductionnelles) guidée par des approches d’IA et de dynamique moléculaire, ainsi que l’analyse des propriétés d’interaction protéine – éléments f par des approches complémentaires de spectroscopie et de chimie analytique (notamment UV-Vis, Fluorescence, SLRT, IRTF, RMN, ITC, cristallographie des protéines). Elle permettra d’évaluer la possibilité de mettre en œuvre des approches biosourcées pour l’extraction sélective d’éléments f.
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Metal-binding proteins are macromolecules capable of finely tuning the properties of metal-binding sites, their affinity and selectivity for the metal of interest. The aim of this thesis is to optimize protein binding sites for lanthanides (Ln(III)) and americium (Am(III)) and, notably sites that are selective within the Ln(III) series or between Am(III) and Ln(III).
It will build upon recent work by the BIAM/IPM and DES/LILA teams, which demonstrated the possibility of generating affine binding sites for Ln(III) and Am(III), with LogK = 9–12, by introducing a lanthanide-binding peptide (LBT, Nitz et al. 2004) in place of the calcium-binding site on a truncated form of calmodulin (Berthomieu et al. 2026; Daronnat et al. in preparation).
The aim of this thesis is to explore the effect of modifications to the amino acid sequence involved in lanthanide binding at sites 1 and 2 of the N-terminal domain of calmodulin on the protein’s affinity and its intra-lanthanide or Ln(III)-Am(III) selectivity, as well as their impact on potential cooperative binding between the two sites. Smaller proteins/peptides will also be studied to optimize capture capabilities and enable the acquisition of structural data via solution NMR.
This thesis will involve protein engineering (focused directed evolution, post-translational modifications) guided by AI and molecular dynamics approaches, as well as the analysis of protein–f-element interaction properties using complementary spectroscopy and analytical chemistry techniques (notably UV-Vis, Fluorescence, TRLIFS, FTIR, NMR, ITC and protein crystallography). It will make it possible to assess the feasibility of implementing bio-based approaches for the selective extraction of f-elements.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de Biosciences et Biotechnologies d’Aix Marseille
Service : BIAM - Institut de Biosciences et Biotechnologies d’Aix Marseille
Laboratoire : IPM - Équipe Interactions Protéine-Métal
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Ecole doctorale : Sciences du Vivant
Directeur de thèse : BERTHON Laurence
Organisme : CEA
Laboratoire : DES/ISEC/DMRC/SPTC/LILA
URL : https://www.cite-des-energies.fr/biam/recherche/ipm/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de Biosciences et Biotechnologies d’Aix Marseille
Service : BIAM - Institut de Biosciences et Biotechnologies d’Aix Marseille

Master 2 à l'interface chimie biochimie ou biochimie école d'ingénieur chimie-biologie