Micro- et nanostructures biologiques tubulaires: Mécanismes physiques de l'auto-assemblage et du fonctionnement

par Ivan Golushko

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Andrea Parmeggiani et de Sergei Rochal.

Thèses en préparation à Montpellier en cotutelle avec Southern Federal University , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) .


  • Résumé

    Les méthodes classiques de physique de l'état solide telles que la diffraction des rayons X et la microscopie électronique ont permis la compréhension de la structure des membranes cellulaires. Aujourd'hui, leur composition et structure étant bien connues, les recherches se concentrent sur les processus actifs des membranes. Des processus tels que l'endocytose impliquent des modifications substantielles de la forme des membranes lipidiques, réalisées par des protéines induisant la courbure membranaire. L'une des méthodes expérimentales parmi les plus populaires est dite « TLM-pulling », où la membrane lipidique tubulaire (TLM) est formée à partir de la vésicule en tirant par une force externe. Des structures similaires relient les vésicules endocytiques aux compartiments du donneur et servent de canaux pour le transfert de matière dans la cellule et entre les cellules adjacentes, établissant ainsi une voie de communication intercellulaire. De tels systèmes formés in vitro en raison de leur simplicité et grande homogénéité peuvent être décrits avec précision par la physique théorique. Dans la première partie de la thèse, nous développons un modèle théorique de TLM, basé sur la mécanique classique et la thermodynamique, et l'appliquons aux expériences de « TLM-pulling » avec adsorption de protéines induisant la courbure. Le modèle tient compte de l'asymétrie de la bicouche lipidique, de la tension superficielle, de la force longitudinale appliquée au TLM et de la différence de pression dans le système. Nous modélisons l'action que les protéines exercent sur la TLM via des ensembles de forces normales à la surface de la membrane à l'équilibre mécanique. Cette nouvelle approche multipolaire permet de modéliser les interactions anisotropes, entre les protéines adsorbées à la membrane, qui sont induites par sa déformation. Notre théorie décrit les premiers stades de la formation des échafaudages protéiques, c-à-d la disposition caractéristique des protéines et leur grande affinité avec les extrémités de la TLM. Le comportement collectif des protéines induisant la courbure est extrêmement important pour effectuer des déformations à grande échelle des membranes au cours de processus tels que l'endo et l'exocytose, l'entrée du virus dans la cellule hôte ainsi que la formation et la sortie des virions. L'étude de ce dernier processus pourrait conduire au développement de nouvelles méthodes de traitement en virologie. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'étude de l'aorte dorsale (DA) de l'embryon de poisson Danio-Rerio. On étudie l'évolution de la forme du DA pendant la transition endothélio-hématopoïétique (EHT). Le processus EHT conduit à l'extrusion des cellules souches/hématopoïétiques qui coloniseront en suite la moelle osseuse permettant l'hématopoïèse tout au long de la vie. Ce processus semble être universel et devrait s'appliquer aussi bien aux mammifères qu'aux oiseaux, ce qui fait de son étude un problème fondamental de l'embryologie. Le DA a une géométrie cylindrique et semblable aux TLM, mais en même temps, il est beaucoup plus gros que les tubes lipidiques, a un module de cisaillement non nul et est incorporé dans la matrice des tissus environnants : un système beaucoup plus complexe du point de vue mécanique. Nous relions les changements globaux de forme de l'aorte pendant l'EHT aux principes génériques de la mécanique et montrons que les instabilités mécaniques conduisant à l'évolution de la forme de l'aorte sont invoquées par des stress résultant des inhomogénéités de croissance et de l'interaction avec les tissus environnants. Sur la base de l'analyse théorique et des données en microscopie confocale 4D, nous proposons un schéma détaillé du processus et postulons que les instabilités mécaniques préparent l'ensemble du processus EHT avant son contrôle génétique spécifique, suggérant un mécanisme universel et auto-organisé du processus de réorganisation collective des tissus dans les organismes en croissance.

  • Titre traduit

    Tubular biological micro- and nanostructures: Physical mechanisms of self-assembly and functioning


  • Résumé

    Applications of classical solid state physics methods such as X-ray diffraction analysis and electron microscopy allowed making a giant step in understanding of cellular membranes' structure. Today since their composition and structure are well known, the focus of research has shifted to active processes involving cell membranes. As we know, such processes as endocytosis involve substantial shape changes of cell membranes, which are performed by curvature-inducing proteins. One of the most popular methods to study how these proteins interact with lipid membranes and each other is TLM-pulling experiment, where tubular lipid membrane (TLM) is formed from the vesicle by pulling. Similar structures connect endocytic vesicles with the donor compartments and serve as channels for the matter transfer within the cell and between adjacent cells establishing cell-to-cell communication pathway. Such systems formed in vitro due to their simplicity and high homogeneity can be accurately described by the means of theoretical physics. In the first part of the present thesis, we develop a theoretical model of the TLM pulled out of the vesicle on the basis of classical mechanics and thermodynamics and apply it to the TLM-pulling experiments with curvature-inducing proteins adsorption. The developed model takes into account asymmetry of the lipid bilayer, surface tension, longitudinal force applied to the TLM and pressure difference in the system. We model the action that proteins exert on TLM via sets of forces normal to the membrane's surface and satisfying conditions of mechanical equilibrium. This novel force multipole approach allows us to model anisotropic interactions between proteins adsorbed at the membrane surface that are induced by the membrane deformation. Our theory describes early stages of protein scaffolds formation i.e. characteristic arrangement of proteins and their high affinity to the membrane ends. Collective behavior of curvature-inducing proteins is extremely important for performing large scale deformations of lipid membranes during such processes as endo and exocytosis, virus entry in the host cell as well as formation and exit of daughter virions later on. Studying of the latter process can possibly lead to the development of fundamentally new methods of viral disease treatment. The second part of the thesis is devoted to the study of zebrafish embryo's dorsal aorta (DA). It focuses on DA's shape evolution during the Endothelio-Haematopoietic Transition (EHT). The EHT process leads to the extrusion of haematopoietic stem/progenitor cells (HSPCs) which will later on colonize haematopoietic organs allowing haematopoiesis throughout adult life. This process seems to be universal and should also apply for both mammals and birds, which makes its investigation a fundamental problem of embryology. DA has a cylindrical geometry that makes it similar to the TLM's, however at the same time DA is much bigger than lipid tubes, has a non-zero share modulus and is embedded in the matrix of surrounding tissues, which makes it a much more complex system from the mechanical perspective. We relate the global shape changes of the aorta during EHT to generic principles of mechanics and show that mechanical instabilities leading to the aorta shape evolution are invoked by different stresses resulting from the growth inhomogeneities and interaction with surrounding tissues. Based on the performed theoretical analysis and the data obtained with a help of 4D confocal microscopy we propose a detailed scheme of the process and postulate that mechanical instabilities prepare and support the whole EHT process prior to its specific genetic control. Our interpretation suggests a universal and self-organized mechanism underlying collective tissue reorganization processes in the growing organisms such as EHT.