Modélisation numérique de l'application de forces mécaniques aux biomolécules

Computer modeling of the application of mechanical forces to biomolecules

• Auteur / Autrice : Raghvendra Pratap Singh
• Direction : Fabrizio Cleri, Ralf Blossey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanotechnologies, acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 27/11/2013
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Institut de recherche interdisciplinaire de Lille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces d'énergie potentielle

Histone désacétylase

Ligands (biochimie) -- Fixation

Complexes récepteur-ligand

Transcription génétique

Chromatine

Dynamique moléculaire

Acides nucléiques

Nanotechnologie

Biomolécules

Mots clés libres

Bromodomaine

ADN motif i

Résumé

Dans les derniers 20 ans, les expériences de traction sur molécule unique par l’action d’une force mécanique ont donné plein d’informations autour des propriétés mécaniques des biomolécules, des modifications structurelles induites par des contraintes mécaniques, ainsi qu’éclaircir les mécanismes d’adhésion et décohésion des paires ligand-recepteur. Suivant cette analyse microscopique, outre que révéler des propriétés biologiques intéressantes, plusieurs de ces systèmes ont montré une nouvelle face, celle de nouveaux matériaux aux propriétés parfois uniques, et ont notamment induit des spéculations sur leur possibles utilisations dans des dispositif de nanotechnologie. Dans cette thèse, par le biais de simulations de dynamique moléculaire, notamment avec les méthodes dites “steered molecular dynamics” et “umbrella sampling”, nous avons réalisé des études concernant : (a) la caractérisation structurelle et mécanique de fragments d’ADN atypiques, comme le tétramère dénommé i-motif, ainsi que (b) la reconstruction des profils d’énergie libre de la liaison et dissociation entre des paires bromodomaine – queues d’histone acétylés (H3 et H4). Nous avons ainsi étudié la structure moléculaire de ces nanostructures particulières d’ADN, formées par l’intercalation de quatre brins d’ADN en un tétramère, et nous en avons déterminé pour la première fois les propriétés mécaniques de base : module de Young, module de flexion, longueur de persistance, et résistance mécanique. Dans la dernière partie du travail, nous avons étudié la manière d’appliquer ces mêmes méthodes à l’étude de paires ligand-recepteur dans le processus de transcription de l’ADN. Nous avons montré que les expériences simulées de traction, dans lesquelles la paire ligand-recepteur est séparée de manière contrôlée par une force mécanique aux extrémités, peuvent donner des informations sur l’hypersurface d’énergie libre. Nous avons essayé, avec un partiel succès, l’application au cas de l’interaction entre bromodomaines et queues d’histones, dans des conditions comparables aux expériences.

In the past 20 years, single-molecule pulling experiments of biomolecules under mechanical forces provided a wealth of information about the mechanical properties of such molecules, and the structural changes that may happen under stress in mechanical proteins, as well as shedding light upon many receptor-ligand binding and unbinding mechanism. Upon such microscopic analysis, besides revealing interesting biological properties, many such systems appeared as unique novel materials, and suggested routes to include such materials in nanotechnology assembly processes. This thesis reports on our studies of the structural and mechanical characterization of DNA i-motif and free-energy based profiling of bromodomain and acetylated histone tails (H3 and H4) binding and dissociation, by using molecular dynamics simulations, and in particular steered “molecular dynamics” and “umbrella sampling” methods. We studied the molecular structure of a peculiar class of DNA-based nanostructures, the i-motif, resulting from the intercalation of four DNA strands into a tetramer, and obtained for the first time its basic mechanical properties: Young’s modulus, bending modulus, persistence length and mechanical toughness. In a final part of the work, we also studied the applicability of the same computational methods to ligand-binding interactions in DNA trasncription. We showed that simulated pulling experiments on ligand-binding pairs, in which the pair is taken apart in a controlled way, can give informations about its free-energy landscape. We attempted, with mixed success, the application to the case of bromodomain-histone tail interactions under conditions comparable to the experiments.