Étude numérique de la formation de domaines dans les biomembranes : des vésicules biphasiques aux récepteurs viraux

Numerical study of patterning in biomembranes : from bicomponent vesicles to virus receptors

• Auteur / Autrice : Julie Cornet
• Direction : Manoel Manghi, Nicolas Destainville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Théorique (Toulouse ; 2003-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes mésoscopiques

Membranes (biologie)

Mots clés libres

Biophysique

Physique mésoscopique

Biomembranes

Simulations numériques

Modélisation

Biophysics

Mesoscale physics

Biomembranes

Numerical simulations

Modeling

Résumé

La membrane plasmique forme une barrière sélective pour la cellule, mais son rôle va bien au-delà d'une simple frontière. En effet, elle joue un rôle crucial dans les fonctions biologiques telles que l'endo et l'exocytose, la communication cellulaire ou l'adhésion. Il est actuellement largement admis que la répartition spatiale des lipides et des protéines membranaires n'est pas homogène mais que ces composants sont organises en nanodomaines, qui se sont avéres être des acteurs clés des fonctions biologiques susmentionnées. Combinant des outils analytiques de physique statistique et des simulations numériques, nous proposons dans ce travail un mécanisme physique pour cette organisation membranaire dans un modèle simple de vésicule biphasique. À l'échelle mésoscopique, nous décrivons la membrane avec un mécanisme de couplage composition-courbure. Nous réalisons des simulations Monte Carlo extensives pour différents paramètres de la membrane (concentration, courbure spontanée, affinité du mélange, tension de surface) et étudions ses états d'équilibre. Nous caractérisons la gamme de paramètres conduisant à des modulations de phases en dressant des diagrammes de phases à partir des résultats numériques et les comparons à ceux obtenus précédemment par les techniques analytiques de la théorie des champs. Différentes observables sont mesurées telles que les fonctions de corrélation et les distributions de taille de domaines pour extraire des informations sur les structures membranaires émergentes, telles que leur forme, leur taille ou leur espacement typique. En ce qui concerne la forme des domaines, nous analysons les trajectoires expérimentales de protéines membranaires (récepteurs au VIH) pour quantifier la forme des domaines et la comparer à nos simulations. Afin de proposer un mécanisme pour la structuration de la membrane pertinent à différents échelles, nous effectuons également des simulations de dynamique moléculaire gros-grains (MARTINI) de bicouches lipidiques, incluant des composants générateurs de courbure, à partir desquelles nous extrayons les paramètres physiques membranaires qui peuvent être injectes dans le modèle mésoscopique. Nous étendons notre modèle mésoscopique en étudiant l'effet de forces appliquées à la vésicule, inspires par le processus de division cellulaire au cours duquel les composants de la membrane se réorganisent et de telles forces sont en jeu.

Plasma membrane forms a selective barrier for the cell, yet its role goes far beyond a simple frontier. Indeed, it plays a crucial role in biological functions such as endo and exocytosis, cell communication or adhesion. It is now widely agreed that membrane lipid and protein spatial repartition is not homogeneous but that these components are organized into nanodomains, which have proven to be key players in the above-mentioned biological functions. Combining statistical physics analytical tools and numerical simulations, we propose in this work a physical mechanism for this membrane organization in a simple model bicomponent vesicle. At the mesoscale, we describe the membrane with a composition- curvature coupling mechanism. We perform extensive Monte Carlo simulations for different membrane parameters (concentration, spontaneous curvature, mixture affinity, surface tension) and study its equilibrium states. We characterize the range of parameters leading to phase modulations by drawing phase diagrams from the simulation results and compare them to the ones previously obtained by analytical field-theoretic techniques. Different observables are computed such as correlation functions and domain size distributions to extract information about the emerging membrane patterns, such as their typical shape, size or spacing. With respect to domain shape, we analyse experimental membrane protein (HIV receptors) trajectories to quantify domain shape and compare it to our simulations. In order to propose a valid rationale for membrane structuring at different scales, we also perform coarse-grained molecular dynamics simulations (MARTINI) of lipid bilayers including curvature-generating components from which we extract the physical membrane parameters that can be plugged into the mesoscale model. We extend our mesoscale model by studying the effect of applied forces to the vesicle, inspired by cell division process during which membrane components reorganize and such forces are at play.