Élasticité des bio-matériaux auto-assemblés

Elasticity of self assembling bio-materials

• Auteur / Autrice : Hugo Le Roy
• Direction : Martin Lenz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/10/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique théorique et modèles statistiques (Orsay, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Trizac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emanuela Zaccarelli, Greg Grason, Thibaut Divoux, Zorana Zeravcic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emanuela Zaccarelli, Greg Grason

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoélasticité

Rhéologie

Hydrocolloïdes

Élasticité

Frustration (physique)

Autoassemblage

Mots clés libres

Rhéologie

Auto-assemblage

Elasticité

Biophysique

Rheology

Elasticity

Self-Assembly

Biophysics

Résumé

Les systèmes biologiques sont entièrement auto-assemblés, à la fois à l’échelle moléculaire et cellulaire. Pour réussir la forme et la structure de chaque protéine par exemple, doit être précisément contrôlée. La moindre erreur conduit à des maladies telles qu’Alzheimer où des protéines s’agrègent entre elles pour former des structures fibreuses. À une échelle plus large les cellules ont besoin de sonder la réponse mécanique de leur environnement -la matrice extra cellulaire- et d’adapter leur propre rigidité pour être capable de s’orienter collectivement. Dans cette thèse nous étudions deux modèles différents. Dans la première partie, nous étudions l’agrégation de protéines au-delà des détails microscopiques. En considérant l’assemblage de particules élastiques, nous sommes capables de comprendre la formation générique de structures fibreuses. Dans la seconde partie, nous modélisons la réponse dynamique d’une catégorie d’hydrogel qui suscite beaucoup d’intérêt en raison de leur compatibilité biologique. Les ingénieurs en matériaux sont aujourd’hui capables de synthétiser des matériaux aux propriétés surprenantes, néanmoins comprendre l’origine de ces propriétés émergentes peut s’avérer compliqué. Nous modélisons la réponse dynamique des hydrogels connectés par de gros agents réticulants multivalent. Ceci nous permet de reproduire les résultats expérimentaux et d’en comprendre l’origine.

Self organization is crucial for the wealth of living systems, both at the molecular and cellular level. To correctly achieve their role, a tight control over the shape and structure of the protein, for instance, is required. Any mistake can lead to various diseases like Alzheimer, where proteins aggregate into fibrous structures. On a larger scale, cells need to probe the mechanical response of their environment -the extra cellular matrix- and to adapt their own rigidity to collectively orientate. In this thesis, we are looking at two different models. In the first part, we study protein aggregation beyond the microscopical details. By considering elastic assembling particles, we are able to derive generic laws and understand the persistent formation of fibers. In the second part, we model the dynamical response of a fashionable class of hydrogels for their biocompatibility. Material engineers are now able to synthesize materials with more and more subtle behavior, although understanding certain emergent properties -such as non-exponential relaxation- can be a major challenge. We design a simple model for the dynamical response of hydrogels connected by large multivalent crosslinkers. We are able to account for experimental results, and rationalize their origin.