Investigations de nouvelles méthodes pour étudier la dynamique moléculaire par diffusion neutronique élastique

Investigations of new methods for studying molecular dynamics with elastic neutron scattering

• Auteur / Autrice : Dominik Zeller
• Direction : Judith Peters, Victoria García Sakai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 13/03/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble) - Institut Max von Laue-Paul Langevin (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Irina Mihalcescu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Joyeux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gerald Reinhard Kneller, Martin Müller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique moléculaire

Neutrons -- Diffusion

Mots clés libres

Simulations

Modèles théoriques

Système biologique

Dynamique moléculaire

Theoretical models

Biological systems

Simulations

Biological systems

Résumé

Dans cette thèse, la diffusion élastique incohérente de neutrons (EINS) est étudiée en détail par une analyse systématique des données de la protéine Alpha-Lactalbumine (A-L). En général, l’approximation gaussienne (AG) est le modèle privilégié pour extraire le déplacement carré moyen (MSD) des protéinesdes données EINS. Compte tenu des améliorations récentes apportées à l’analyse des données EINS pour aller au-delà de l’AG, avec une description plus complexe de la dynamique, il est important de vérifier si les nouveaux modèles fournissent des informations supplémentaires plus précises. Pour étudier systématiquement l’influence de quatre modèles choisis sur les MSD, l’échantillon a été mesuré sous forme de poudre à trois niveaux d’hydratation différents et sur trois spectromètres à rétrodiffusion de neutrons, afin de pouvoir étudier la dynamique dans une large gamme de temps et d’espace. De plus, A-L a été mesuré sous deux formes différentes, avec et sans calcium, pour vérifier si de légers changements dans la dynamique peuvent être observés. L’évaluation des données expérimentales a permis de conclure que l’AG donnait des résultats qualitativement similaires aux modèles incluant une hétérogénéité dans les mouvements, si l’intersection de l’intensité élastique avec l’axe de transfert du moment neutronique, EI(0), est traitée de la même manière pour tous les modèles. Néanmoins, l’inclusion de l’hétérogénéité fournit une meilleure description des données EINS, et permet d’inclure davantage de points de données. Dans la plupart des cas, une hétérogénéité comprenant deux types de mouvements distincts (bimodale) s’avère suffisante. Comme technique complémentaire, des simulations de dynamique moléculaire (DM) ont été effectuées sur les deux formes de poudre de A-L avec deux niveaux d’hydratation et deux valeurs de température. Les trajectoires ont été évaluées avec trois résolutions instrumentales différentes, correspondant aux jeux de données expérimentaux. Les MSD résultant de l’AG et de deux modèles supplémentaires ont été comparés aux MSD calculés à partir des trajectoires et aux résultats expérimentaux. L’évaluation indique un accord qualitatif entre les modèles. Les résultats expérimentaux sont du même ordre de grandeur mais ne concordent pas parfaitement dans la plupart des cas, ce qui indique une différence non négligeable entre les simulations MD et les expériences. En conclusion, l’importance de EI(0) sur les MSD est bien documentée et il est proposé d’entreprendre des expériences supplémentaires pour évaluer l’intensité élastique au transfert de moment zéro de manière plus détaillée.

In this thesis, elastic incoherent neutron scattering (EINS) is investigated in detail by performing a systematic analysis of data from the protein Alpha-Lactalbumin (A-L). Almost exclusively, the Gaussian approximation (GA) is the preferred model used to extract the mean square displacement (MSD) in proteins from EINS data. With a number of recent improvements in the analysis of EINS data to go beyond the GA, describing a more complex dynamical picture, it is important and relevant to assess whether new models give additional and more precise information. For the systematic study of the influence of four chosen models on the extracted MSD, the A-L protein was measured as a powder at three different hydration levels on three neutron backscattering spectrometers, to be able to access a wide temporal and spatial range of dynamics. Furthermore, A-L was measured in two different forms, with and without calcium to check if small changes in dynamics can be observed. The evaluation of the models on the experimental data leads to the conclusion that the GA gives qualitatively similar results to the models that include dynamical heterogeneity, if the intercept of the elastic intensity with the neutron momentum transfer axis EI(0) is treated in the same manner for all models. However, the inclusion of heterogeneity provides a better description of EINS data and allows the inclusion of more data points. In most cases, a heterogeneous description comprising two distinct kind of motions (bi-modal) appears to be sufficient. To complement the experimental results, data from molecular dynamics (MD) simulations were analysed on both powder forms of A-L with two hydration levels and two temperature values. The trajectories were evaluated with three different instrumental resolutions corresponding to the experimental data sets. The resulting MSDs of the GA and two additional models were compared to the direct MSD obtained from the trajectories and the experimental results. The evaluation indicates a qualitative agreement between the models. The experimental results are of the same order of magnitude but not in good agreement in most cases, indicating a non-negligible difference between MD simulations and experiments. In conclusion, the importance of EI(0) on the MSD is well documented and further experiments to gain access to the elastic intensity at zero momentum transfer are suggested.