Mécanique statistique et thermodynamique des systèmes avec transitions conformationnelles : applications aux macromolécules biologiques

Statistical mechanics and thermodynamics of systems with conformational transitions : applications to biological macromolecules

• Auteur / Autrice : Manon Benedito
• Direction : Stefano Giordano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nano technologies, acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• 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 d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Hélène Montes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pier-Luca Palla, Cendrine Moskalenko, Jean-Marc Victor, Philippe Pernod
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Enrico Carlon, John Palmeri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de force à l'échelle de la molécule unique

Mécanique statistique

Modèles mathématiques

Macromolécules

Protéines

Mots clés libres

Proteines

Macromolécules

Spectroscopie de force à l'échelle de la molécule unique

Mécanique statistique

Modèles mathématiques

Proteins

Macromolecules

Single-Molecule force spectroscopy

Statistical mechanics

Mathematical models

Résumé

Le comportement thermoélastique des macromolécules biologiques, telles que l’ADN et les protéines, est abordé dans un vaste champ d'études, aux nombreuses applications théoriques et pratiques. La modélisation mathématique de la réponse des macromolécules à la déformation et aux fluctuations thermiques permet de tester la validité de la mécanique statistique des petits systèmes, grâce à la comparaison avec les résultats expérimentaux obtenus par la spectroscopie de force, qui fournit des informations sur les réponses statiques et dynamiques induites par les forces appliquées. Ces analyses sont encore plus importantes pour les macromolécules bistables présentant des transitions conformationnelles, correspondant à des processus de pliage/dépliage entre deux positions stables. Pour obtenir analytiquement la réponse force-déformation d’une chaîne composée d’unités bistables, il est nécessaire de calculer les fonctions de partition, essentielles en mécanique statistique. Ainsi, l’énergie potentielle bistable est décomposée en deux paraboles, correspondant l’une et l’autre aux états plié et déplié et identifiées grâce à la technique des variables de spin, utilisée tout au long du manuscrit. La première partie de cette thèse concerne l’extensibilité des liens entre les unités bistables d’une chaîne. La seconde partie permet, quant à elle, de considérer les interactions entre les unités bistables d’une chaîne, grâce au modèle d’Ising. Dans la troisième partie, il est question de l’hétérogénéité, paramètre important pour déterminer la séquence de dépliage dans le repliement des protéines. Enfin, dans la dernière partie, la dynamique de la déformation est décrite.

The thermo-elastic behaviour of biological macromolecules, such as DNA and proteins, is addressed in a wide field of studies, with plenty of theoretical and practical applications. Mathematical modelling of the macromolecules’ response to deformation and to thermal fluctuations allows the validation of the statistical mechanics of small systems, through the comparison with experimental results obtained by force spectroscopy, thus providing information on the static and dynamic responses induced by applied forces. These analyses are even more important for bistable macromolecules with conformational transitions, corresponding to folding/unfolding processes between two stable positions. In order to obtain analytically the force-deformation response of a chain composed of bistable units, it is necessary to calculate the partition functions, which are essential objects of the statistical mechanics. Thus, the bistable potential energy is decomposed into two parabolas, both corresponding to the folded and unfolded states and identified using the spin variables technique, largely used throughout the manuscript. The first part of this thesis concerns the extensibility of the bonds between the bistable units of a chain. The second part allows us to consider the interactions between the bistable units of a chain, thanks to the Ising model. The third part deals with heterogeneity, an important parameter to determine the unfolding sequence in proteins unfolding. Finally, in the last part, the dynamics of deformation is described.