Interaction entre modèles de membranes biologiques et nanoparticules, une études par simulation moléculaire

par Jonathan Barnoud

Thèse de doctorat en Biothérapies et biotechnologies

Sous la direction de Luca Monticelli.

Soutenue en 2014

à Paris 7 , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....) .

mots clés

• Membranes lipidiques
• Fullerènes
• Nanoparticules
• Microdomaines membranaires
• Dynamique moléculaire
• Polystyrène
• Simulation de dynamique moléculaire
• Modèles moléculaires

Résumé

Les membranes biologiques jouent un rôle crucial pour les cellules. Elles constituent leurs barrières externes et internes. Ces membranes régulent les flux de matière, d'information et d'énergie au sein des cellules. Les fonctions d'une membrane sont intimement liées à sa composition, altérer de cette composition peut altérer les fonctions membranaires. Un tel changement de composition peut être du à l'ajout de molécules exogènes, tels des médicaments ou des polluants. L'effet de ces molécules sur les membranes n'est pas toujours compris. De plus, l'environnement chimique d'une molécule affecte son comportement ; ainsi, une membrane lipidique affecte les molécules exogènes qui y sont intégrées. Les détails moléculaires de ce phénomène restent méconnus. Ici, j'ai utilisé des simulations de dynamique moléculaire pour étudier l'effet de nanoparticules de carbone sur des modèles membranaires, ainsi que l'effet des membranes sur les nanoparticules. Je montre que des nanoparticules de polystyrène altèrent des propriétés membranaires, notamment l'organisation latérale des lipides. Cette organisation est affectée par d'autres molécules hydrophobes dont le fullerene C60. Cet effet dépend des molécules en jeu : les molécules aromatiques stabilisent la séparation des lipides tandis que les molécules aliphatiques mélangent les lipides. Je montre aussi que le fullerene C60 déstabilise le surfactant pulmonaire. Dans un second temps, je montre que les membranes lipidiques affectent la dimérisation de peptides transmembranaires ; puis je caractérise comment le fullerene C60 tend moins à s'agréger dans une membrane lipidique que dans des alcanes pourtant similaires chimiquement.

Titre traduit

Interaction between model biological membranes and nano-sized particles, a molecular simulation study

Résumé

Biological membranes have a crucial role in cells as they form their outer boundary with the plasma membrane, but also the inner boundaries as they border the organelles. Membranes regulate the flow of matter, information, and energy in all cell compartments. A membrane functions are tightly attached to its composition, so alterations of a membrane composition can alter the membrane function. Such change in composition can be due to the addition of exogenous molecules as drugs or pollutants. How these exogenous molecules alter membrane properties is not always known nor understood. In addition, the chemical environment of a molecule affects the its behavior; therefore, exogenous molecules embedded in a lipid membrane can be affected by the membrane. The molecular details of this effect on small molecules are not fully understood. In this thesis, I used molecular dynamics simulations to investigate the effect of carbon nanoparticules on the properties of membrane models, and the effect of these membranes on nanoparticules. I showed that polystyrene nanoparticules alter some membrane properties, especially the lipid lateral organization. Other hydrophobie molecules affect lipid lateral organization. This effect depends on the molecule: aromatic molecules, including C60 fullerene, stabilize the separation of the lipids; on the contrary, aliphatic molecules mix the lipids. C60 fullerene also destabilize lung surfactant. I investigated the effect of membrane properties on the dimerization of transmembrane peptides. Finally I characterized how C60 fullerene aggregate less in a lipid membrane than in chemically similar bulk alkanes.