Physique statistique du repliement et de la dénturation des acides nucléiques

par Daniel Jost

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Ralf Everaers.

Soutenue en 2010

à Lyon, École normale supérieure , en partenariat avec Laboratoire de physique (Lyon) (laboratoire) .


  • Résumé

    L’étude de nombreux processus biologiques et nanotechnologiques requièrent une bonne compréhension du repliement et de la dénaturation des acides nucléiques. Les travaux décrits dans cette thèse portent principalement sur le développement et l’utilisation de modèles thermodynamiques de ces mécanismes. Nous avons tout d’abord mis en place un formalisme unifié du modèle de Poland-Scheraga qui permet de décrire la dénaturation thermique de l’ADN quelque soit la taille des molécules considérées, leur concentration et leur environnement ionique. Nous utilisons ce modèle pour décrire quelques aspects génériques de la dénaturation. En particulier, nous montrons que le comportement des observables est particulièrement sensible à l’incertitude sur les paramètres du modèle pour les longs oligomères. Nous considérons ensuite le modèle de Zimm-Bragg qui est une approximation du modèle précédent. Cela nous permet de procéder à une analyse statistique systématique des corrélations entre domaines thermodynamiquement stables et gènes dans les génomes. Nous avons ensuite développé un modèle sur réseau du repliement de l’ARN paramétré à l’aide d’une version réduite et unifiée du modèle de Turner. L’étude du modèle sur réseau, grâce à la mise en place de plusieurs techniques avancées de Monte-Carlo, montre qu’il décrit quantitativement le repliement de structures complexes. Nous évaluons aussi l’importance des interactions stériques. En particulier, nous estimons des corrections de champ moyen utilisables dans les programmes standard traitant la structure secondaire. Enfin, nous exploitons l’aspect tridimensionnelle du modèle, pour étudier l effet d’un confinement géométrique.

  • Titre traduit

    Statistical physics of the folding and the melting of nucleic acids


  • Résumé

    A quantitative understanding of the folding and opening of nucleic acids is relevant for many biological and nanotechnological processes. The main goal of my PhD thesis is to understand these mechanisms by using and developping thermodynamics-based models. In a first part, we develop a unified Poland-Scheraga model of DNA thermal denaturation. Our description covers the entire crossover from oligo- to polynucleotide melting behavior and is applicable in the full experimental range of DNA strand and salt concentrations. We use our model to discuss generic aspects of DNA melting. In particular, we emphasize that the observable features are particularly sensitive to the remaining parameterization uncertainty for long oligomers. Then, we reconsider the Zimm-Bragg model, an approximation of the previous model. This allows us to perform a statistical and systematic genome wide comparison between biologically coding domains and thermodynamically stable regions. In a second part, we investigate the RNA folding by developping a lattice model parameterized with a unified and reduced version of the Turner model. The use of advanced Monte-Carlo techniques allows us to show that the lattice model quantitatively describe the folding of complex structures. We also evaluate the impact of steric interactions. In particular, we estimate mean-field corrections that can be used in standard programs working at the secondary structure level. Finally, the tridimensional definition of the model is exploited to study the effect of a geometrical confinement.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (186 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.175-186.

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