Structures d'aptamères pour la conception de biocapteurs // Aptamer structures for biosensor design

L'objectif global de cette thèse de doctorat est de déterminer la structure d'un (ou plusieurs si le temps le permet) complexe aptamère ADN - petite molécule en utilisant des méthodes de spectroscopie RMN couplées à une caractérisation biophysique approfondie, et d'utiliser ensuite ces connaissances pour concevoir des biocapteurs initiaux. Cette recherche fournira une description détaillée de la structure de l'aptamère d'ADN et des interactions qui aboutissent à la liaison. Les connaissances actuelles sur les structures non duplex de l'ADN, telles qu'on les trouve dans les aptamères, font cruellement défaut, ce qui limite la compréhension d'une utilisation plus large des aptamères et, dans un sens plus large, empêche la constitution d'une base de données adéquate pour le développement de méthodes de prédiction de type Alphafold qui pourraient être utilisées à l'avenir pour prédire les structures de l'ADN telles que les aptamères.
Récemment, le groupe Mackereth (ARNA, Inserm U1212) et le groupe Johnson (Dept. Chemistry, York Univ., Canada) ont achevé la caractérisation structurelle d'un aptamère d'ADN liant la dopamine en utilisant une gamme similaire de techniques proposées pour la thèse de doctorat. Cette structure met en évidence la nécessité absolue de déterminer la structure 3D correcte des aptamères, et la structure résultante était très inattendue avec des éléments presque entièrement non canoniques (c'est-à-dire pas de paires de bases Watson-Crick et même pas de régions G-quadruplex). Nous avons ensuite déterminé les éléments clés de la dopamine et de l'ADN responsables des interactions, et nous avons finalement tiré parti de la structure pour améliorer considérablement la conception du biocapteur.
Dans la thèse de doctorat proposée, le candidat commencera par une courte liste d'aptamères d'ADN pour lesquels il effectuera une brève caractérisation préliminaire par spectroscopie RMN afin de déterminer si le complexe ADN-aptamère est homogène et d'une qualité suffisante pour des études RMN à haute résolution. Un premier candidat à l'étude est l'aptamère de glucose sélectionné par Stojanovic et al. (Nakatsuka et al, 2018, Science 362:319-324). Les aptamères liant les glucides sont rares en raison du faible contenu en informations du ligand et les connaissances structurelles seraient importantes pour comprendre comment les aptamères d'ADN peuvent lier les glucides. D'autres candidats à l'étude structurelle sont les aptamères liant les purines, la théophylline (Huang et al, 2022, ACS Chem Biol 17:2121-2129) et les aptamères liant l'adénosine (Ding, 2023, J Am Chem Soc 145:7540-7547). Si cela s'avère nécessaire en raison de problèmes avec les aptamères d'ADN susmentionnés, d'autres aptamères à étudier sont les aptamères se liant aux acides aminés, dont certains ont été récemment rapportés par le laboratoire de Stojanovic (Yang et al, 2023, Science 380:942-948). Les aptamères se liant aux acides aminés ont une grande pertinence clinique dans les applications de biocapteurs et répondent en outre au besoin d'outils pour le traitement et le diagnostic des maladies métaboliques.
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The overall goal of this PhD thesis is to determine the structure of one (or more if time permits) DNA aptamer-small molecule complexes using NMR spectroscopy methods coupled with extensive biophysical characterization, and then using this knowledge to design initial biosensors. This research will provide a detailed description of the structure of the DNA aptamer and the interactions that result in binding. The current knowledge of non-duplex DNA structures, such as found in aptamers, is severely lacking limiting the understanding a wider use of aptamers, and in a larger sense preventing an adequate database for development of Alphafold-like prediction methods that could be used in the future to predict DNA structures such as aptamers.

Recently the Mackereth group (ARNA, Inserm U1212) and the Johnson group (Dept. Chemistry, York Univ., Canada) have completed the structural characterization of a dopamine-binding DNA aptamer using a similar range of techniques proposed for the PhD thesis. This structure highlights the absolute need to determine the correct 3D structure of the aptamers, and the resulting structure was highly unexpected with almost completely non-canonical elements (i.e. no Watson-Crick basepairs and even no G-quadruplex regions). We further determined key elements in the dopamine and DNA responsible for the interactions, and finally took advantage of the structure to vastly improve its biosensor design.
In the proposed PhD thesis, the candidate will begin with a short list of DNA aptamers for which the PhD student will conduct a short preliminary characterization by NMR spectroscopy to determine if the DNA-aptamer complex is homogeneous and of sufficient quality for high-resolution NMR studies. An initial candidate for study is the glucose aptamer selected by Stojanovic et al. (Nakatsuka et al, 2018, Science 362:319-324). Carbohydrate binding aptamers are rare due to the low information content of the ligand and structural insights would be important for understanding how DNA aptamers can bind carbohydrates. Additional candidates for structural study come from the purine-binding aptamer, the theophylline (Huang et al, 2022, ACS Chem Biol 17:2121-2129) and adenosine binding aptamers (Ding, 2023, J Am Chem Soc 145:7540-7547). If needed due to problems with the above DNA aptamers, additional aptamers considered for study are amino acid-binding aptamers, some of which have been recently reported by the Stojanovic lab (Yang et al, 2023, Science 380:942-948). Amino acid binding aptamer have great clinical relevance in biosensor applications, and additionally address the need for tools in the treatment and diagnosis of metabolic diseases.

Feasibility. The feasibility of determining the structure of the selected small-molecule DNA aptamer complex(es) is high, given the recent success of both potential supervisors with the related dopamine DNA aptamer complex, including all the way to biosensor improvement. As always, the student will use optimization when necessary to facilitate the structure determination process.

Significance. The PhD thesis project is expected to result in the structure of 1-3 aptamers bound to their small molecule ligands resulting in high-quality publication(s). The knowledge of the structures will directly help guide the biosensor community in general, and more broadly in our understanding of the way in which DNA can specifically bind to small molecules and the previously understudied ways in which DNA can fold into 3D structures.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : http://nmrbordeaux.org

Appel à projets - UB PhD Scholarships

Université de Bordeaux

154 Sciences de la Vie et de la Santé

Le projet de doctorat est interdisciplinaire et s'adresse donc aussi bien à un candidat ayant une formation préalable en chimie, en biochimie ou en biologie structurale. Le projet est idéal pour un candidat qui s'intéresse aux détails atomiques et à la manière dont ces informations sont liées au mécanisme et au développement de la biotechnologie basée sur les acides nucléiques. En raison de l'importance de la spectroscopie RMN dans la thèse, une certaine connaissance ou expérience de la spectroscopie RMN est un atout, mais les compétences pertinentes en RMN seront également enseignées au cours des premiers mois du doctorat. Le candidat doit être disponible pour passer du temps à Toronto pendant les périodes d'échange, et un niveau intermédiaire d'anglais est donc également requis. Le candidat sera encouragé à assister à des réunions internationales pour présenter ses résultats, ainsi qu'à contribuer par des affiches ou des présentations dans les réseaux locaux français et canadiens. Sont éligibles uniquement des candidatures internationales, à savoir : - des candidates ou candidats ayant obtenu (ou en cours d'obtention de) leur diplôme d'accès au doctorat (Master ou équivalent) dans un établissement à l'étranger - des candidates ou candidats actuellement dans un Graduate Program de l'université de Bordeaux, inscrits en deuxième année de Master et ayant obtenu leur diplôme d'accès au Master dans un établissement à l'étranger Seront prises en compte uniquement les candidatures soumises sur la plateforme suivante : https://aap.u-bordeaux.fr/ et avant le 17 mars à 23h59 (GMT Paris). Un guide de candidature ainsi que la liste des documents à soumettre sont disponibles sur la plateforme. Pour toute question, veuillez contacter : internationalisation.doctorat@u-bordeaux.fr
The PhD project is interdisciplinary, and therefore it is equally adapted to a candidate with previous training in chemistry, biochemistry, or structural biology. The project is ideal for a candidate with an interest in atomic details and how this information relates to the mechanism and development of nucleic-acid based biotechnology. Due to the extent of NMR spectroscopy in the thesis, some knowledge or past experience in NMR spectroscopy is an asset, but relevant NMR skills will also be taught during the initial months of the PhD. The candidate must be available to spend time in Toronto during the exchange periods, and therefore an intermediate level of English is also required. The candidate will be encouraged to attend international meetings to present their findings, as well as the contribution of posters or presentations in local French and Canadian networks. The UB PhD scholarship program is open to international candidates only, which means: - candidates holding (or currently enrolled in) a national level master's degree or another degree conferring master's status from a foreign institution - candidates currently in a Graduate Program, enrolled in second year of Master at the University of Bordeaux, and holding a degree from a foreign institution We will only consider applications submitted on the following platform: https://aap.u-bordeaux.fr/ and prior March 17, at 11:59pm (GMT Paris). A guide on how to apply as well as the list of documents to submit are available on the platform. For any question, please contact: internationalisation.doctorat@u-bordeaux.fr