Etude théorique et expérimentale de la translocation de macromolécules à travers un nanopore

par Fabien Piguet

Thèse de doctorat en Physique - Cergy

Sous la direction de Damien Paul Foster et de Abdelghani Oukhaled.

Soutenue le 22-09-2014

à Cergy-Pontoise , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise) , en partenariat avec Laboratoire de Physique Théorique et Modélisation (Cergy-Pontoise, Val d'Oise) (laboratoire) et de Laboratoire de Physique Théorique et Modélisation / LPTM (laboratoire) .

Le président du jury était Loïc Auvray.

Le jury était composé de Enrico Carlon, Juan Pelta.

Les rapporteurs étaient Nikolaos Fytas, Mathias Winterhalter.


  • Résumé

    La translocation, le passage d'une macromolécule à travers un pore inséré dans une membrane, est impliquée dans de nombreux processus biologiques. On peut citer comme exemple le transport d'ARN ou de protéines entre les composants de la cellule, et l'infection d'une cellule par le passage d'un ADN viral à travers la membrane cellulaire. Aujourd'hui la translocation est aussi la base d'applications technologiques, comme le fait d'utiliser les pores en tant que détecteurs pour le séquençage rapide de molécules ou en tant que filtre moléculaire. La compréhension du processus de translocation est importante à la fois d'un point de vue fondamental et pour la fabrication de nouveaux dispositifs de translocation à usage spécifique. Dans cette thèse, nous réalisons des expériences et des simulations informatiques pour étudier certains des effets les plus importants mis en jeu lors de la translocation.Nous utilisons des simulations informatiques avec un modèle à ``gros grain'' pour étudier qualitativement l'influence d'une interaction attractive entre les parois du pore et un polymère en train de transloquer. Nous montrons que la position de l'interaction influence la fréquence d'entrée et le temps de résidence du polymère dans le pore. La fréquence d'entrée est plus grande lorsque l'entrée du pore est attractive. Le comportement du temps de résidence avec la longueur du polymère est qualitativement et quantitativement affecté par la position de l'interaction dans le pore. Cependant, quelle que soit la position de l'interaction, nous observons que le temps de translocation augmente linéairement avec la longueur du polymère lorsque le polymère est plus long que le pore. Cette observation est qualitativement en accord avec des données expérimentales publiées.Lorsque la translocation est lente, la corrélation entre les mouvements des monomères confinés dans le pore peut jouer un rôle important. Cet effet n'a pas été pris en compte jusqu'à présent. Nous développons un nouveau modèle pour la translocation de polymères, inspiré par le processus d'exclusion asymétrique (ASEP process), qui permet d'étudier spécifiquement cet effet. Nous montrons que les mouvements corrélés des monomères confinés dans le pore génèrent un comportement du temps de résidence avec la longueur du polymère qui est qualitativement similaire à ce qui est habituellement interprété comme la présence d'une barrière d'énergie libre dans le processus de translocation, même lorsqu'une telle barrière n'existe pas. Notre modèle réduit fortement le temps de simulation comparé aux simulations de dynamique moléculaire traditionnelles (quelques secondes contre quelques mois pour un système similaire). Cette accélération provient de l'idéalisation des portions du polymère à l'extérieur du pore. Une telle idéalisation est également présente dans les modèles largement utlisés de type Fokker-Planck, mais dans notre cas le comportement de la partie de la chaîne confinée dans le pore est mieux modélisé.Enfin nous réalisons des expériences pour tester l'existence d'un flot électro-osmotique (EOF) à travers le nanopore d'alpha-hémolysine de staphylococcus aureus. Malgré de nombreux travaux ces dernières années, la question de l'EOF à travers l'un des nanopores biologiques les plus utlisés fait toujours débat. Nous montrons qu'un EOF existe à travers l'alpha-hémolysine et qu'il contrôle la fréquence d'entrée et le temps de résidence de molécules neutres (beta-cyclodextrines) dans le nanopore. La force de l'EOF dépend du type de cation en solution. En particulier nous montrons que l'EOF est plus fort en présence de LiCl que de KCl.

  • Titre traduit

    Theoretical and experimental study of the translocation of macromolecules through nanopores


  • Résumé

    Translocation, the passage of a macromolecule through a pore inserted in a membrane, is involved in many biological processes. Examples include the transport of RNA or proteins between cell components, and the infection of a cell by the passage of a viral DNA through the cell membrane. Today translocation is also the basis of technological applications, such as using pores as sensors for fast molecule sequencing or molecular sieves. The comprehension of the translocation process is important both from a fundamental point of view and for the design of new translocation setups for specific uses.In this thesis both experiments and computer simulations are used to investigate some of the most important effects at work during translocation.Coarse-grained computer simulations are used to study qualitatively the influence of an attractive interaction between the pore walls and a translocating polymer. The location of the interaction is shown to influence both the entry frequency and residence time of the polymer in the pore. The entry frequency is greater when the pore entry is attractive. The behaviour of the residence time with the polymer length is qualitatively and quantitatively affected by the location of the interaction within the pore. Nevertheless, regardless of the location of the interaction, a linear increase of the residence time with polymer length occurs when the polymer becomes longer than the pore. This observation is in qualitative agreement with published experimental data.In the case of slow translocation the correlation between the movements of the monomers confined in the pore may be important. This effect has not been considered previously. A new model of polymer translocation, inspired by the asymmetric exclusion process (ASEP), is developped which enables to specifically investigate this effect. The correlated movements of the monomers confined in the pore are shown to give rise to a behaviour of the residence time with polymer length which is qualitatively similar to what is usually interpreted as the presence of a free-energy barrier in the translocation process, even when such barrier is absent. Our model greatly reduces the simulation time compared to traditional molecular dynamics simulations (several seconds versus several months for similar systems). This speed up comes from the idealization of the portions of the polymer outside the pore. Such idealization is also present in the widely used Fokker-Planck models, but in our case the behaviour of the portion of the chain confined in the pore is better modelled.Finally, experiments are performed to probe the existence of an electro-osmotic flow (EOF) through the nanopore of alpha-hemolysin, from staphylococcus aureus. Despite numerous works during past years, the question of EOF through one of the most commonly used biological nanopores is still under debate. An EOF is shown to exist through alpha-hemolysin and to control the entry frequency and residence time of neutral molecules (beta-cyclodextrins) in the nanopore. The strength of the EOF depends on the type of cations in solution. In particular EOF is shown to be stronger in LiCl solution than in KCl solution.


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