Tailoring spatio-temporal dynamics with DNA circuits

par Adrien Padirac

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Anthony William Coleman et de Yannick Rondelez.

Soutenue le 29-11-2012

à Lyon 1 , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) .

Le président du jury était Arnaud Brioude.

Le jury était composé de Teruo Fujii.

Les rapporteurs étaient Ludovic Jullien, Masahiro Takinoue.

  • Titre traduit

    Conception den dynamiques spatio-temporelles avec des circuits d'ADN


  • Résumé

    L’ADN est reconnu depuis longtemps comme une des molécules fondamentales des organismes vivants.Support de l’information génétique, la molécule d’ADN possède aussi des propriétés qui en font unmatériel de choix pour construire à l’échelle nanométrique. Deux simples brins d’ADN complémentaireset antiparallèles (c.à.d. de directivité opposée) peuvent, par exemple, s’hybrider s’ils se rencontrent ensolution, c’est à dire s’associer l’un à l’autre. La cohésion de la molécule « double-brin » ainsi forméeest maintenue par une série de liaisons faibles entre les bases complémentaires de chaque brin. Cetteréaction d’hybridation de l’ADN est réversible : un double-brin stable à basse température retrouveral’état simple-brin à plus haute température.Notre capacité à lire (séquencer) et écrire (synthétiser) l’ADN est à l’origine de l’émergence dudomaine des nanotechnologies ADN. Cette capacité à prévoir quantitativement les interactions (cinétiqueset thermodynamiques) entre deux partenaires moléculaires quels qu’ils soient est propre à l’ADN: on peut facilement synthétiser deux molécules de même taille et nature, de manière à ce qu’elles interagissent– ou non – selon la séquence qui leur est propre. Il existe aussi toute une batterie d’enzymescapables de catalyser différentes réactions au sein d’un brin d’ADN ou entre deux brins d’ADN, parexemple : une polymérase catalyse la synthèse d’un brin d’ADN à partir de son complémentaire ; unenickase coupe un seul des deux brins d’une molécule double-brin à un emplacement spécifique ; uneexonucléase hydrolyse un brin d’ADN en fragments plus courts, tandis qu’une ligase lie deux brinscourts en un brin unique, plus long. Dans cette thèse, nous commençons par vérifier que les trois modules de l’oligator (activation,autocatalyse et inhibition) peuvent être réarrangés de manière arbitraire, afin de créer différents circuitsde réactions dynamiques. Nous appellerons cette collection de réactions catalysées par trois enzymes(polymérase, nickase et exonucléase) la boite à outils ADN. La construction et le contrôle de circuitscomplexes nécessitent de pouvoir observer les modules désirés de manière spécifique et en temps réel.A cette fin, nous mettons au point une nouvelle technique de fluorescence utilisant une interaction– souvent négligée – entre les bases d’ADN et un fluorophore qui y est attaché : celui-ci émet unefluorescence dont l’intensité dépend de l’état (simple ou double brin) et de la séquence à proximité dufluorophore.


  • Résumé

    Biological organisms process information through the use of complex reaction networks. These can bea great source of inspiration for the tailoring of dynamic chemical systems. Using basic DNA biochemistry–the DNA-toolbox– modeled after the cell regulatory processes, we explore the construction ofspatio-temporal dynamics from the bottom-up.First, we design a monitoring technique of DNA hybridization by harnessing a usually neglectedinteraction between the nucleobases and an attached fluorophore. This fluorescence technique –calledN-quenching– proves to be an essential tool to monitor and troubleshoot our dynamic reaction circuits.We then go on a journey to the roots of the DNA-toolbox, aiming at defining the best design rulesat the sequence level. With this experience behind us, we tackle the construction of reaction circuitsdisplaying bistability. We link the bistable behavior to a topology of circuit, which asks for specificDNA sequence parameters. This leads to a robust bistable circuit that we further use to explore themodularity of the DNA-toolbox. By wiring additional modules to the bistable function, we make twolarger circuits that can be flipped between states: a two-input switchable memory, and a single-inputpush-push memory. Because all the chemical parameters of the DNA-toolbox are easily accessible,these circuits can be very well described by quantitative mathematical modeling. By iterating thismodular approach, it should be possible to construct even larger, more complex reaction circuits: eachsuccess along this line will prove our good understanding of the underlying design rules, and eachfailure may hide some still unknown rules to unveil.Finally, we propose a simple method to bring DNA-toolbox made reaction circuits from zerodimensional,well-mixed conditions, to a two-dimensional environment allowing both reaction anddiffusion. We run an oscillating reaction circuit in two-dimensions and, by locally perturbing it, areable to provoke the emergence of traveling and spiral waves. This opens up the way to the building ofcomplex, tailor-made spatiotemporal patterns.


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