M2 Biomolecular Engineering and Chemistry

pas applicable

Le stage est effectué dans un laboratoire de recherche

Rédaction d'un rapport et soutenance orale

Bases de biochimie.
Pas de pré-requis en physique. La participation à la mise à niveau en mathématique et traitement du signal est encouragée en cas de besoin.

Nous aborderons les concepts généraux et les méthodes spécifiques utiles à la caractérisation de la structure et la dynamique des molécules et de leurs interactions, en s'appuyant notamment sur les biomacromolécules. Les points forts de la RMN du liquide et du solide seront mis en avant (aspects dynamiques, études de protéines intrinsèquement désordonnées, étude dans la cellule, interactions moléculaires).
Le plan du cours est le suivant :
- introduction au phénomène RMN et au fonctionnement des spectromètres (TP)
- spectres 1D et 2D
- les interactions en RMN (couplages scalaires et dipolaires)
- quelques bases de calcul de séquences d'impulsions RMN
- étude de spectres de protéines de poids moléculaires et de flexibilité variés (TD)
- méthodes d'attribution des signaux RMN: théorie et exemples (TD, TP)
- méthodes de calcul de structure 3D
- la relation entre le phénomène de relaxation des spins et les mouvements moléculaires
- les interactions protéine-ligand: relation entre équilibres/cinétiques d'interaction et spectres RMN. Exemples d'études.
- RMN appliquée aux protéines intrinsèquement désordonnées ou en conditions in cellulo
- l'intelligence artificielle (IA): une aide pour accélérer et améliorer la collecte et l'interprétation des données RMN
- la RMN: une technique indispensable à toutes les étapes du développement et de la caractérisation du (bio)médicament.

Cette UE de RMN biologique vise à fournir les bases théoriques minimales de RMN pour comprendre le phénomène RMN et ses applications à l'interface entre la biologie et la chimie.

L'examen se fait sous la forme d'une présentation d'article suivie d'une discussion.

Lieu d'enseignement : ICSN campus CNRS Gif-sur-Yvette

Pré-requis recommandés : biochimie des protéines et/ou chimie analytique et/ou spectrométrie de masse.

1- Etat des lieux des analyses protéomiques.
2- Méthodes de spectrométrie de masse adaptées à l’analyse des peptides et protéines
-Principe des modes d’ionisation (MALDI, ESI)
-Principe des analyseurs de masse simples et hybrides (TOF-TOF, Q-TOF, Trappe, Orbitrap, FTICR...)   
-Principe de la fragmentation
-Comparaison des spécificités et utilités des différentes techniques.
3- Stratégies protéomiques
-Identifications des protéines (stratégies classiques et hauts débits dédiées à l'analyse de mélanges très complexes)
-Quantification des protéines (méthodes globales ou ciblées).
-Caractérisations des modifications post-traductionnelles connues ou inconnues
-Interactions protéine-protéine
-Informations structurales: interactions non covalentes et caractérisation de déterminants structuraux
4- Méthodes de préparation, séparation et enrichissement des protéines et peptides
-Préparations classiques des échantillons, électrophorèse, chromatographie.
-Cas des modifications post-traductionnelles (modifications classiques, glycosylations, phosphorylations, nouvelles modifications, …)
-Cas des protéines membranaires.
-Méthodes d’enrichissement.
5- Analyses de données (cours et TD)
-Mesures de masse d'une protéine, d'un mélange de peptides
-Fragmentation de peptides et protéines : principe et analyse de spectres de fragmentation
- Cas pratiques 
- Analyses des données haut débit (utilisation d'outils IA)
- Analyses statistiques
6-Atelier TP sur une plateforme de protéomique: mesures de masse et d’identification de protéines.

Cette unité d'enseignement du M2 Ingénierie et Chimie des Biomolécules est organisée sous forme de cours hebdomadaire, entre septembre et décembre.

Lieux d'enseignement : I2BC, campus CNRS Gif-sur-Yvette

Etudiants ayant validé un niveau M1/ingénieurs avec des connaissances en biochimie et chimie des protéines.

The goal of this teaching unit  is to offer an hands-on training for master students for the purification of membrane proteins for functionnal and cryoEM structural characterisationing as a model an ABC transporter involved in antibiotic efflux.

During the first week, students will purify a bacterial membrane protein responsible for antibiotic resistance. The purified transporter will then be reconstituted into a lipid environment using nanodiscs, which provide a native-like membrane setting suitable for both functional and structural characterization. Each student pair will work with a distinct lipid composition to assess how membrane composition influences the transporter enzymatic properties, particularly its drug-stimulated ATPase activity. Students will perform a full analysis of their purification results and enzymatic activity measurements. 

In parallel, they will attend a series of lectures and seminars given by experts in membrane proteins, antibiotic resistance, biochemistry, and structural biology. These sessions aim to connect the experimental work carried out during practical sessions to a broader molecular understanding of resistance mechanisms and to current strategies for developing new therapeutic approaches. The week will conclude with a student driven scientific discussion, where their will compare, and discuss the collective results obtained by the different groups, reiforcing their scientific communication and collaborative analysis.

During the second week, students will use their purified and reconstituted transporter samples to prepare cryoEM grids. They will learn the practical aspects of grid preparation, vitrification, and data collection using the cryoEM instrumentation at the I2BC. The acquired micrographs will then be processed through all key computational steps, including motion correction, particle picking, 2D classification, 3D reconstruction, and map refinement, to obtain a high-resolution density map of the transporter. Using this map, students will build and refine an atomic model, allowing them to visualize the structural features underlying the protein function and its role in antibiotic resistance. This hands-on experience will be complemented by lectures and workshops focusing on cryoEM data processing workflows leading to cryoEM maps compatible with atomic model building and their analysis.

• OAV 1 : Connaître et discuter les mécanismes moléculaires d’antibiorésistance au travers d’exemples diversifiés.
  OAV 2 : Connaître et discuter les techniques de purification et caractérisation fonctionnelle des protéines membranaire.
• OAV 3 : Connaître et discuter les techniques de préparation d’échantillon pour la cryo microscopie électronique.
• OAV 4 : Connaître et discuter les stratégies d’analyse des données de particules uniques en cryo microscopie électronique.
• OAV 5 : Partager ses résultats avec ses camarades et savoir faire une analyse synthétique de l’ensemble des résultats obtenus par le groupe (mise en commune d’une partie des résultats de TP).
  OAV 6 : Communiquer à l’écrit et l’oral des résultats scientifiques (compte rendu et présentation orale de leurs résultats de TP).

Compétences à acquérir :

• CA 1 : Purification de protéine membranaire
• CA 2 : Reconstitution de protéine membranaire en détergent dans un environnement lipidique (nanodisques).
• CA 3 : Préparation d’échantillon et traitement de données issues pour la cryo microscopie électronique.
• CA 4 : Construction et analyse de modèle moléculaires à partir de carte de densité obtenue de carte de densité électronique.

Lieu d'enseignement : Campus Paris-Saclay

Bases de biochimie structurale
bases de la physique ondulatoire (cours de remise à niveau)

Diffusion et diffraction des rayons X

• comprendre le cheminement de la diffusion des rayons-X d'un électron jusqu'à la diffraction des cristaux
• identifier les éléments de symétrie dans les cristaux
• faire le lien entre symétrie du cristal et symétrie dans les spectres de diffraction
• savoir établir des stratégies et optimisation des collectes de données
• savoir évaluer les critères de qualité
• maitriser les différentes méthodes de phasage
• savoir utiliser les méthodes d'amélioration des cartes
• savoir interpréter des cartes de densité électronique
• savoir affiner les structures cristallographiques et évaluer leur qualité

Diffusion aux petits angles:

• Théorie et principe expérimentaux de la diffusion de rayons X aux petits angles de molécules biologiques
• Savoir interpréter les spectres de diffusion
  Modélisation des structures à basse résolution basé sur les spectres expérimentaux

Microscopie électronique

• Fonctionnement d'un microscope électronique
• Principe Physique de l'imagerie par microscopie électronique
• Principe de la collecte et du traitement d'image de Cryo-EM
• Préparation des échantillons, évaluation des grilles
• Traitement des données et reconstruction des structures
• Traitement de l'hétérogénéité structurale.
• Cryo-tomographie

L'enseignement est organisé sous forme de cours hebdomadaires, à la faculté de pharmacie de Paris. Il comporte également des Travaux pratiques : Cristallogénèse, Phasage par remplacement moléculaire et/ou par méthodes expérimentales. Reconstruction du modèle dans la carte de densité électronique. Des travaux pratiques sur la collecte de données sont effectué en collaboration avec l'equipe de la ligne de lumière Proxima2 au synchrotron SOLEIL.

Lieu d'enseignement : faculté de Pharmacie de l'université Paris-Cité (Paris)

Une bonne maîtrise des notions suivantes est attendue: structures et fonction des macromolécules biologiques, principalement protéines et acides nucléiques, principes de base des méthodes d'étude des macromolécules :  biochimie, biologie structurale et biophysique (interaction, repliement) et notions de bases sur la réactivité des principales fonctions chimiques.

Cette UE se décline sous forme de séminaires scientifiques animés par des chercheurs ou enseignants/chercheurs, suivi d'un échange interactif sous forme de questions-réponses avec les étudiants. Les conférenciers sont généralement des membres d'équipes d'accueil du master ICBM qui proposent eux-même des projets de stages en lien avec les thématiques abordées. 

A travers des exemples concrets et d'une mise en contexte scientifique, ces séminaires illustrent la manière dont les concepts méthodologiques, enseignés dans les autres UEs du master, peuvent être appliquées pour répondre à des questions biologiques.
Les séminaires couvrent un large éventail d'approches incluant de la biologie structurale, de la "chemical biology" et/ou de l'ingénierie des protéines.

L'UE vise à 

1. sensibiliser les étudiants à l'identification et au choix des outils et techniques expérimentales permettant d'étudier des processus biologiques à l'échelle moléculaire ou intégrée, 
2. développer un esprit critique sur l'interprétation des résultats expérimentaux en lien avec les hypothèses ou questions biologiques initiales, 
3. renforcer la capacité à mobiliser les connaissances théoriques acquises en cours dans l'analyse d'un travail de recherche et identifier les enjeux, limites et innovations d'une étude au regard de l'état actuel des connaissances.

L'enseignement se déroule pendant plusieurs semaines, à raison d'un séminaire scientifique par semaine  donnée par un expert dans son domaine de recherche. L'intervenant change à chaque séance (14 séminaires au total).

Un ou plusieurs étudiants par séance (selon les effectifs) sont chargés d'animer la conférence en introduisant le conférencier (en ayant effectué une recherche bibliographique sur l'intervenant au préalable) et en modérant la discussion lors de la session de questions-réponses à l'issue de la présentation. 

La dernière séance est dédiée à la présentation d'articles scientifiques par les étudiants, suivie de discussions avec l'auditoire, l'ensemble constituant la base de l'évaluation continue.

Lieu d'enseignement : Faculté des Sciences d'Orsay - Site Plateau Paris-Saclay

L'unité d'enseignement suppose que les étudiants aient les bases de biochimie structurale mais ne nécessite pas de connaissances préalables spécifiques en informatique ou programmation

De nombreux aspects de la structure, la dynamique, la fonction, et l'ingénierie des biomolécules (protéines mais aussi ARN et ADN) seront abordés. 

Les bases de leur stabilité seront rappelées; les principales propriétés du solvant ; les effets qui gouvernent le repliement et la reconnaissance moléculaire. 

Des outils de base de modélisation seront abordés: alignement de séquences, modélisation par homologie, dynamique moléculaire, docking. 

Chaque étudiant réalisera à l'issue du cours un projet qui visera par exemple à simuler le repliement d'une protéine ou à prévoir les conséquences fonctionnelles de la modification d'une protéine. 

Cette UE permet aux étudiants d'utiliser des modèles et programmes largement utilises en biologie structurale, mais aussi de réfléchir en profondeur aux principes qui gouvernent la reconnaissance moléculaire et le repliement des protéines.

Outre les bases théoriques (cours + TD), on manipulera ces outils à travers des mini-projets ou TPs, dans un environnement Linux. Les logiciels utilisés ont un intérêt très général en biologie structurale; certains ont été co-développées par les enseignants.

Lieu d'enseignement : Ecole Polytechnique - Palaiseau

Bases (niveau M1) en biochimie, et biologie moléculaire

L’objectif de cet enseignement est de faire découvrir la démarche expérimentale utilisée pour mener à bien un projet de recherche, de découvrir de nouvelles méthodes, de discuter le bien fondé de l’utilisation de ces méthodes, leurs avantages et leurs limites. Cet enseignement fournit donc des outils utiles dans tous les secteurs de l’étude moléculaire des processus biologiques.
-Travaux expérimentaux : mutagénèse dirigée, séquençage du gène, purification de protéines, caractérisation de protéines mutantes par étude approfondie de leurs mécanismes catalytiques.
Au cours de la deuxième semaine vous assisterez à une série de séminaires en lien direct avec l’étude expérimentale de la première semaine.
Une demi-journée sera consacrée à l’utilisation d’outils informatiques pour l’étude de la phylogénie des ARN et des protéines et pour l’ingénierie des interactions protéine:ligand.
Enfin, trois journées seront consacrées à la microscopie électronique appliquée aux complexes ribosomaux. Vous serez initiés à la préparation d'échantillons pour la microscopie et la cryo-micoscopie électronique, vous pourrez observer les grilles préparées sur l'un des deux microscopes (Jeol 2010, F 200kV, Titan Themis 300 kV) disponibles sur le site de l’Ecole Polytechnique. Enfin, vous serez également initié à la collecte et au traitement d'images de cryo-microscopie électronique pour obtenir la structure tridimensionnelle de votre objet d'étude. Les avantages et limites de cette technique seront discutés tout au long de cette formation.

Le programme de l’unité d’enseignement est organisé sur deux semaines, à temps plein, au laboratoire de Biochimie de l’Ecole Polytechnique. Au sein de ce laboratoire, vous travaillerez essentiellement avec les chercheurs du groupe « mécanismes de la traduction des ARNm en protéines ».

L'UE est à effectif limité. L'ouverture aux étudiants du M2 ICBM est soumise à la disponibilité de places (variable selon les années).

Lieu d'enseignement : Ecole polytechnique - Palaiseau

Base de structure des protéines, d'enzymologie et de chimie organique.

-Mécanismes enzymatiques I (sans métal redox) : développements récents en catalyse enzymatique: aldose-cétose isomérases, transaldolases, décarboxylases, hydrolases (estérases, lipases, époxyde-hydrolases), enzymes à TPP, enzymes à PLP (2ème partie), glyc.

Cette unité d'enseignement mutualisée entre les M2 Chimie Organique – M2 Ingénierie et Chimie des Biomolécules – M2 Chimie Pharmaceutique, est organisée sous forme de cours hebdomadaire, entre septembre et décembre.

Niveau au moins équivalent au parcours M1 spécialité Chimie Organique d'Orsay en stéréochimie, mécanismes réactionnels, méthodes modernes de synthèse

Cette UE d'ouverture est proposée au choix aux parcours M2R Chimie Organique et M2R Chimie Pharmaceutique. Elle a pour but de permettre d'approfondir ses connaissances en :
-Synthèse totale de grandes classes de biomolécules complexes: protéines fonctionnalisées par des motifs chimiques présents dans la nature ou par des sondes permettant d’étudier leurs fonctions biologiques. Ligation chimique native et notions de chimie bio-orthogonale. Synthèse de nucléosides et d'acides nucléiques modifiés. Biosynthèse et synthèse biomimétique de substances naturelles.
-Glycochimie (ou la synthèse organique revue au travers de la "chimie des sucres") :Une maîtrise accrue des chimio, régio et stéréosélectivités des réactions sur les sucres a été possible en les plaçant dans le contexte des mécanismes réactionnels et de la physicochimie organique générale. En retour, de nombreux phénomènes observés en "chimie des sucres" permettent d'illustrer avec pertinence les concepts généraux de la chimie organique. Cette partie propose de détailler au moyen d'analyses d'articles les concepts évoqués.

Enseignement de type classique avec cours magistraux et travaux dirigés avec mise à disposition d'éléments pédagogiques complémentaires sur l'ENT (annales, articles...), et analyse d'articles avec restitution orale. Une séance de 4h par semaine. Répartition horaire : Glycochimie: Cours : 15h ; TD 5h Biomolécules: Cours 15h ; TD : 5h.

• T. Oishi, T. Nakata, Chem. Rev. 1995, 95, 2021-2040. - S. E. Bode, M. Wolberg, M. Müller, Synthesis 2006, 557-588; - D. Guénard, F. Guéritte-Voegelein, P. Potier, Acc. Chem. Res. 1993, 26, 160-167. - K. C. Nicolaou, W.-M. Dai, R. K. Guy, Angew. Chem.

Licence de Chimie ou Biologie

Au cours de cette UE, nous montrerons l’apport des techniques spectroscopiques, des microscopies et des approches physicochimiques dans l’étude de systèmes biologiques in vitro jusqu’à l’intégration dans la dimension cellulaire. L’objectif est de connaitre le principe de fonctionnement, l’instrumentation nécessaire, les applications et les limites de chaque technique.
Des mises en situation (3 mini-projets: spectroscopie de fluorescence, microscopie FLIM, AFM et son couplage à la spectroscopie IR) aident à devenir autonome sur des appareils de type laboratoire de recherche, de la préparation des échantillons à l’acquisition des données et jusqu’à leur traitement. C’est une première étape pour acquérir de l’aisance et pour choisir la technique adaptée à la question posée.
Cette UE permet de travailler ses facultés d’analyse et de synthèse ainsi que sa capacité à travailler en groupe notamment avec des étudiants issus de plusieurs M2.

Cette UE est constituée de cours et de TPs (> 50%). Une large gamme de techniques sera présentée ou bien dans des cours dédiés ou via des exposés présentés par les étudiants (Spectroscopies vibrationnelles (IR, Raman), Absorption, Spectroscopie et microscopie de fluorescence, diffusion de lumière (DLS), Dichroïsme Circulaire, résonance de plasmon de surface, micro-calorimétrie (ITC), champ proche (AFM et couplage IR)). Certaines techniques seront mises en pratique au cours de 3 mini-projets.

L'UE se déroule sur 6 demi journées : 

• 3 demi journées d'analyse de structure sur ordinateur ; 
• une demi journée de dynamique moléculaire sur ordinateur ; 
• deux demi journées de docking moléculaire sur ordinateur

Permettre à l'étudiant d'aborder la conception de molécules actives basées sur une approche informatique, conception de médicaments assistée par ordinateur.
compétences acquises en bioinformatique, biostatistique, biomathématique, chemoinformatique

3 demi journées successives, deux demi journées successives et une demi journée indépendante ( 6 demi journées en tout). 

Planning variable en fonction des autres UE et dépend de la disponibilité des étudiants de chimie ParisTech.

Lieu d'enseignement : Faculté de pharmacie de l'université Paris-Cité (Paris 5ème).

UE mutualisée avec le M2 P-Cité CSPM Conception, Synthèse et Pharmacologie du Médicament

Cette UE de 3 ECTS doit être complétée par l'autre UE proposée de 3 ECTS.

notions sur le médicament

Ce programme est susceptible de légères modifications en fonction de la disponibilité des intervenants extérieurs :

- Conception, isolement et synthèse des principes actifs : Drug design en recherche pharmaceutique ;

- Recherche de molécules d'intérêt thérapeutique : composés d'origine naturelle, Médicaments biologiques.

- Recherche et développement industrielle pour la mise sur le marché (AMM) : Développement chimique : Extrapolation des synthèses au stade pré-industrialisation ; Développement analytique ; Développement galénique ; Etudes précliniques : Aspects toxicologiques du développement du médicament ; Etudes cliniques.

- Aspects technico-réglementaires : Brevetabilité, dépôt de brevet, exploitation, valorisation ; Accès au marché des médicaments ; Falsification des médicaments et autres produits de santé ; Supply chain ; Bonnes pratiques.

- Connaitre des grandes notions du médicament, compréhension du vocabulaire touchant au domaine du médicament, différentes phases du développement: 
- Grands étapes du développement du médicament, recherche de molécules d'intérêt pharmaceutique, brevets, marques et propriété industrielle, développement chimique et pharmaceutique

Enseignement dispensé par des enseignants et des professionnels de l'industrie pharmaceutique: cours et séminaires.

- Cours magistraux - conférences

- Participation à la conférence annuelle UPCité-OPALS sur les faux médicaments (lieu : Faculté de Pharmacie, durée : 3h30)

Les enseignements sont rassemblés en une semaine unique.

Lieu d'enseignement : Faculté de pharmacie de l'université Paris-Cité (Paris 5ème).

UE mutualisée avec le M2 P-Cité CSPM Conception, Synthèse et Pharmacologie du Médicament

Cette UE de 3 ECTS doit être complétée par l'autre UE proposée de 3 ECTS.