Expériences et modélisation par dynamique moléculaire du transport d'acides nucléiques à travers un nanopore.

par Delphine Dessaux

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Jérôme Mathe, Nathalie Basdevant et de Rosa Ramirez.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes , en partenariat avec Laboratoire analyse et modélisation pour la biologie et l'environnement (laboratoire) et de université d'Evry-Val-d'Essonne (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2016 .


  • Résumé

    La dynamique de polymères biologiques traversant un canal est un enjeu majeur dans de nombreux processus biologiques et applications biotechnologiques : l'export d'ARN à travers le complexe du pore nucléaire, l'éjection d'ADN par les phages, la translocation de protéines à travers les membranes, ou encore les technologies de filtration active ou le séquençage d'ADN par nanopores. L'étude expérimentale de cette dynamique est basée sur l'analyse du courant ionique traversant un nanopore sous l'effet d'un champ électrique. Les fluctuations de courant observées (sur des temps de l'ordre de 1 à 5 µs par base) lorsqu'une molécule d'ADN passe à travers le pore, sont la signature des interactions mises en jeu. La détermination précise des paramètres déterminant le transport permettra d'aborder des stratégies chimiques ou mécaniques innovantes afin de contrôler la vitesse de translocation, contrôle d'intérêt majeur pour de nombreuses applications de nano-biotechnologie. Récemment, nous avons démontré expérimentalement que le transport d'ADN dans les pores protéiques était largement contrôlé par une barrière d'énergie due notamment à l'interaction électrostatique entre l'ADN et le pore [1]. Ce résultat expérimental a été aussi prédit théoriquement par un modèle statistique macroscopique incluant cette énergie d'interaction. Des simulations de dynamique moléculaire permettraient d'élucider l'origine moléculaire précise de la barrière d'énergie. Les modèles gros-grains, représentant plusieurs atomes par un seul site, peuvent dépasser les limitations des modèles tout-atome et permettent d'atteindre des durées de simulation plus proches des temps caractéristiques des expériences [2]. Nous avons ainsi mis en place des simulations de dynamique moléculaire gros-grain d'un nanopore d'alpha-Hemolysine (pore protéique couramment utilisé dans les expériences de nanopores) dans une membrane lipidique en utilisant le champ de force gros-grain MARTINI [3]. Pour ce travail de thèse, nous proposons donc d'aborder, par deux approches complémentaires, le problème de la dynamique du transport dans les nanopores, associant les expériences à la modélisation par dynamique moléculaire. Tirant avantage des ces deux expertises présentes au laboratoire, le candidat explorera expérimentalement le transport d'ADN dans les pores protéiques et développera la modélisation par dynamique moléculaire gros-grain de ce même processus. Le but de cette approche est d'implémenter une recherche par rétroaction expériences-simulations-expériences, afin de mieux comprendre les processus mis en jeu dans le contrôle de la vitesse de translocation dans un nanopore.

  • Titre traduit

    Experiments and Molecular Dynamics modeling of nucleic acid transport in nano-confinement media


  • Résumé

    The dynamics of biological polymers going through narrow channels is crucial in many biological processes and technological applications, such as RNA export through the nuclear pore complex, phage DNA ejection, protein translocation through membranes, active filtration technologies and nanopore sequencing. The experimental study of these dynamics is based on the analysis of the ionic current flowing through the nanopore when an external voltage is applied. The current fluctuations observed while the nucleic acid goes through the pore are the signature of the interactions governing the process occurring at the rate of 1 to 5 µs per base. A precise determination of the relevant parameters involved in the transport will provide novel chemical or mechanical strategies to control the speed of translocation for nanotechnology applications. We have recently demonstrated experimentally that the transport of a DNA into protein nanopores is largely controlled by an energy barrier due to the electrostatic interactions between the pore and the nucleic acid [1]. This experimental result has also been predicted with a macroscopic statistical theoretical model using the interaction energy between a DNA segment and the pore. In silico molecular dynamics simulations of these systems will provide very useful insights to elucidate the precise molecular origin of the barrier. Coarse-grained models, representing several atoms by one site, can overcome the limitations of all-atom models and enable simulations for time-lengths closer to experiments [2]. This is the reason why we have performed molecular dynamics at a coarse-grained level on an alpha-Hemolysin nanopore (the protein nanopore mostly used for nanopore experiment) embedded in a lipid membrane using the coarse-grained MARTINI force-field [3]. We therefore propose for this PhD work to develop a two fold approach of the problem of the speed control of translocation, associating experiments with the molecular modeling of the process. Taking advantage of these two expertise present in the laboratory, the candidate will experimentally explore the transport dynamics of DNA through a protein pore and will develop the molecular modeling of this process at a coarse-grained level. The aim of our approach is to build a feed-back research, experiments - simulations - experiments, in order to get a deeper insight on the interactions governing the translocation speed through the pore.