Transport directionnel dans un nanopore

par Bastien Molcrette

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Fabien Montel.

Soutenue le 25-10-2021

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec École normale supérieure de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de physique (Lyon) (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Ybert.

Le jury était composé de Fabien Montel, Christophe Ybert, Aleksandra Radenovic, Jean-François Joanny, Kirone Mallick.

Les rapporteurs étaient Aleksandra Radenovic, Jean-François Joanny.


  • Résumé

    Il existe dans la nature des systèmes connus sous le nom de ratchets browniens qui utilisent les fluctuations thermiques pour extraire un travail mécanique. Dans ces systèmes, la diffusion est biaisée de manière à rendre possible des processus biologiques unidirectionnels. Les moteurs moléculaires en sont de bons exemples, comme la kinésine et la myosine qui se déplacent sur le cytosquelette et utilisent l’ATP pour biaiser leurs mouvements. Un autre cas est le transport d’ARNm entre le noyau et le cytoplasme à travers le pore nucléaire (NPC). Le pore nucléaire est un complexe moléculaire massif sélectionnant les molécules qui peuvent entrer ou sortir à travers le noyau. Le pore nucléaire a été prouvé comme très sélectif et directionnel. Pour étudier la directionnalité du transport de biomolécules à travers le pore nucléaire, nous avons développé un système simplifié mimétique basé sur les membranes nanoporeuses. Notre approche s’est basée sur une technique de microscopie de champ proche, le Zero-Mode Waveguide pour nanopores. Avec cette méthode, nous avons observé la translocation en temps réel de molécules d’ADN uniques à travers des nanopores. Des agents de ratchet, constitués de polycations se liant fortement à l’ADN et ne pouvant pas diffuser à travers le pore, ont été ajoutés à la sortie des nanopores. Nous avons quantifié l’effet de ces agents de ratchet sur la fréquence de translocation des molécules d’ADN et mis en évidence le fonctionnement expérimental du mécanisme de ratchet de translocation. A partir de ces mesures, nous avons défini une efficacité de ratchet que nous avons caractérisée par rapport à ses paramètres géométriques et cinétiques puis nous l’avons comparée à des modèles phénoménologiques. Nous avons notamment observé l’existence d’une longueur critique de 3 kbp pour la taille de la molécule d’ADN pour activer l’effet de ratchet, ce que nous avons expliqué à partir d’un modèle de formation de boucles d’ADN.

  • Titre traduit

    Directional transport through nanopore


  • Résumé

    Some natural systems known as Brownian ratchets use thermal fluctuations to extractmechanical power. In these systems, diffusion is biased in order to achieve unidirectionalbiological processes. Good examples are the molecular motors as kinesins or myosinsthat walk on the cytoskeleton and use ATP to bias their movement. Another case isthe transport of mRNA between the nucleus and the cytoplasm through Nuclear PoreComplexes (NPC). The NPC is a large molecular complex which selects molecules thatenter or exit the nucleus. It has been shown to be highly selective and directional. To studythe directional transport of biomolecules through the NPC, a simplified mimetic devicebased on nanoporous membranes was designed. Our approach used near-field microscopytechnique, Zero Mode Waveguide for Nanopores. With this method single DNA moleculestranslocation through nanopores was observed in real time. Ratchet agents which arepolycations that bind strongly to the DNA and cannot diffuse through the pore wereadded on the exit side of the membrane. We quantified the effect of the ratchet agent onthe translocation frequency of DNA molecules and established the proof of principle ofthe translocation ratchet. From these measurements, we defined a ratchet efficiency thatwe characterized according to its geometrical and kinetics parameters and compared withcoarse grained modeling. We observed a critical length of 3 kbp for the DNA molecule totrigger the ratchet effect, that we explained according to a DNA loop formation model.


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