Discrimination and Sequencing of Polymers with Biological Nanopores

par Mordjane Boukhet

Thèse de doctorat en Physique - Cergy

Sous la direction de Juan Pelta et de Günter Reiter.

Soutenue le 19-11-2018

à Cergy-Pontoise en cotutelle avec l'Albert-Ludwigs-Universität (Fribourg-en-Brisgau, Allemagne) , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise) , en partenariat avec Laboratoire analyse et modélisation pour la biologie et l'environnement (Evry, Essonne) (laboratoire) et de Laboratoire Analyse et Modélisation pour la Biologie et l'Environnement / LAMBE - UMR 8587 (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Interaction de polymères naturels et synthétiques avec des pores protéiques


  • Résumé

    La technique de détection à l'aide de nanopores au niveau de la molécule unique est l'une des plus puissantes pour l'analyse de diverses molécules, dont les polymères biologiques et synthétiques, les protéines et les peptides, les molécules de sucre ou les nanoparticules métalliques. Ces pores peuvent également servir de plate-forme pour l'étude de phénomènes physiques et biologiques fondamentaux. Dans le cadre de l'analyse de molécules, ce travail, expérimenté en utilisant la technique de la peinture de bicouche lipidique, porte principalement sur la détection des polymères et leur utilité pour sonder les processus fondamentaux des de l'α-hémolysine et de l'aérolysine.Le premier chapitre de résultats décrit l’analyse des flux à travers l'hémolysine et l'aérolysine à l’aide des polyéthylèneglycols (PEG) et des α-cyclodextrines, ainsi que les effets des sels de KCl et de LiCl sur l'interaction des PEG avec ces pores. L'une des principales conclusions est qu'il existe un flux électoosmotique plus fort dans l'aérolysine, responsable du transport des molécules neutres, les α-cyclodextrines. La seconde constatation concerne la dynamique des PEG avec les nanopores qui semblait être fortement dépendante du sel, montrant des différences drastiques de fréquence et de durée d’interaction en fonction de la tension pour les deux sels, bien que la détection de la masse de PEG dans les deux conditions indique que la nature de l'interaction avec le pore est similaire dans les deux types de sels.Le but des travaux présentés dans le deuxième chapitre de résultats était de détecter les polymères de précision et à trouver les meilleures conditions pouvant conduire à leur séquençage avec des nanopores. Des homopolymères et copolymères de poly(phosphodiester)s ont été sondés en utilisant l'hémolysine, l'aérolysine et MspA. Le premier type de polymères étudiés contenant une amorce 3-polythymidine et une suite de comonomères de type (0) a montré une forte interaction avec les pores qui a été interprétée comme la promotion de la liaison avec les pores, due à l'amorce d’ADN simple brin, combinée à une grande flexibilité du premier type de polymères. Les polymères qui contenaient des chaînes latérales alcyne et triazole se sont révélés avoir des interactions plus complexes, mais ont interagi pendant des durées plus courtes avec les pores indiquant qu'ils étaient plus rigides. Le second type de polymères semble s’agréger en solution du fait de l’interaction entre les chaînes latérales, ce qui prouve l’importance de la caractérisation de ces molécules en solution par diffusion de rayons, dans le cadre de la détection et finalement de leur séquençage.L'étude du troisième chapitre de résultats, a porté sur la dynamique de petits oligonucléotides avec le pore d’aerolysine. Les polyadénines (A3, A4, A5) ont montré une dynamique complexe d’interaction avec le pore, qui a été étudiée par l'analyse et la quantification des différentes propriétés des événements. L'ensemble du processus s'est avéré être régi par deux sites de liaison et des barrières énergétiques à l'intérieur du pore que les molécules doivent surmonter. Ces résultats ont été combinés à un modèle cinétique qui a permis une description complète de la liaison et de la translocation (ou son non succès) des polyadénines.Le dernier chapitre des résultats décrit l’interaction de plus grandes polyadénines (A6-A7-A8-A9-A10) avec l’aérolysine. L’analyse de l'amplitude des courants des blocs induits par l'adénine à l'intérieur de ce pore montre une interaction dépendante de l'orientation des molécules avec le pore. Cette interaction dépendante de l'orientation a commencé à apparaître pour la molécule A7 et est devenue l'effet dominant pour A9 et A10. En raison de la flexibilité de l'ANDsb, cet effet n'est pas observé pour les molécules de plus petite taille (A6 et inférieures) en raison de leur possibilité de réorientation à l'intérieur du pore.


  • Résumé

    The technique of detection with nanopores at the single molecule level, is one of the most powerful method for the analysis of various molecules, of which biological and synthetic polymers, proteins and peptides, sugar molecules or metal nanoparticles. These pores can also serve as a platform for the study of fundamental physical and biological phenomenons. In the context of molecule analysis, this work, which is experimented using the technique of planar lipid bilayer painting, focuses mainly on the detection of polymers and their utility to portray fundamental processes of the α-hemolysin and aerolysin biological nanopores.The first results chapter described the probing of flows through α-hemolysin and aerolysin using polyethylene glycols (PEGs) and α-cyclodextrines, and the effects of KCl and LiCl salts on the interaction of PEGs with these pores. One main finding was that there exists a stronger electoosmotic flow in aerolysin, responsible for the transport of the neutral molecules α-cyclodextrines. The second finding was that the dynamics of PEGs with the nanopores are strongly dependent on the salt, showing drastic differences of frequency and dwell times vs. voltage for the two salts, although, the results of detection of mass of PEGs pointed to the fact that the nature of the interaction with the pore is similar in both salts.The aim of the work presented in the second results chapter, was to detect precision polymers, and find the best conditions, which can lead to their sequencing with nanopores. The homo- an copolymers of poly(phosphodiester)s were probed using α-hemolysin, aerolysin and MspA. The first type of polymers investigated which contained a 3-polythymidine primer and a sequence of comonomers of type (0) showed a strong interaction with the pores that was interpreted as the promotion of ssDNA-primer to the binding with the pore, combined to a high flexibility of the first type of polymers. The polymers which contained alkyne and triazole side chains, were found to have more complex interactions, but interacted for shorter durations with the pore indicating them to be stiffer. The second type of polymers seemed to be clustering in solution due the interaction between side chains, which proved the importance of performing characterization of these molecules in solution using wave scattering in the context of detection and ultimately sequencing.The study of the third result chapter, focused on the dynamics of small oligonucleotides with the aerolysin pore. The interaction of polyadenines (A3, A4, A5) showed complex dynamics and kinetics with pore, which was investigated via analysis of the events pattern. The whole process was found to be governed by two binding sites and energy barriers inside the pore that the molecules have to overcome. These results were combined to a developed kinetic model which allowed a complete description of the binding and translocation (or failure of it) of these polyadenines.The last results chapter described the interaction of bigger polyadenines (A6-A7-A8-A9-A10) with the aerolysin nanopore. The analysis of amplitude of currents of the adenine-induced blocks inside this pore showed an orientation dependent interaction of the molecules with the pore. This orientation dependent interaction started to be apparent for the A7 molecule and became the dominant effect for A9 and A10. Due to the flexibility of ssDNA, this effect is not observed for smaller sized molecules (A6 and below) because of their possibility of reorientation while inside the pore.


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