Etude structurale de monocouches lipidiques par simulations de dynamique moléculaire

Molecular dynamics simulation study of lipid monolayers

• Auteur / Autrice : Lucie Huynh
• Direction : Patrick Curmi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et moléculaire
• Date : Soutenance le 19/09/2013
• Etablissement(s) : Evry-Val d'Essonne
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale des Génomes aux organismes (Versailles ; 2000-2015)
• Jury : Président / Présidente : Véronica Beswick
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadège Jamin, Véronique Rosilio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Girard-Egrot, Tâp Ha Duong

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pression

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Propriétés structurales

Monocouches lipidiques

Structural properties

Molecular modeling

Surface pressure

Résumé

Les membranes biologiques jouent un rôle essentiel dans la vie cellulaire. Afin d’étudier leur comportement et leurs interactions avec des molécules, des modèles de monocouches lipidiques ont été développés. Leur compression sur balance de Langmuir permet d’obtenir une isotherme pression de surface-aire moléculaire permettant de caractériser notamment les transitions de phase et le comportement interfacial des monocouches. Seules les études de simulations de dynamique moléculaire permettent d’obtenir les propriétés structurales des lipides organisés en monocouche à l’échelle atomique. Nous avons modélisé une monocouche de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (POPC), phospholipides majoritaires des membranes, puis réalisé une série de dynamiques moléculaires à différentes tensions de surface en utilisant GROMACS et le champ de force tout atome GAFF. Une isotherme de compression de POPC a été obtenue pour la première fois par simulation de dynamique moléculaire. L’analyse structurale des POPC a mis en évidence des variations conformationelles avec l’augmentation de la pression ainsi qu'une distribution bimodale de l’orientation des têtes polaires. L’analyse des angles dièdres a permis d’identifier les torsions responsables de cette flexibilité. Un comportement indépendant des chaînes hydrophobes a été observé et corrélé à un assemblage préférentiel des chaînes oléoyle d’une part et palmitoyle d’autre part. La connaissance des propriétés structurales et organisationnelles des monocouches de POPC est essentielle à la caractérisation des interactions mises en jeu dans la cohésion des films lipidiques et fournit une base à l’étude de leur perturbation par des molécules.

Biomembranes play an essential role in many relevant processes in cellular biology. In order to gain insight into their behaviour and interactions with molecules, models such as lipid monolayers have been developed. Monolayer compression on Langmuir trough provides surface pressure – molecular area isotherms, and allows characterisation of phase and interfacial properties of the monolayer. Such a characterisation can be completed by atomistic study of the monolayer phospholipids and molecular interactions from molecular dynamic simulations. Our work is focused on 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC), a lipid comprising a saturated and an unsaturated acyl chain, major lipids in eukaryotic cell membranes. We performed MD simulations at 293 K and 300 K at different surface pressures using the all-atom general amber force field (GAFF). Simulated surface pressure-area isotherms were obtained for the first time, and a good agreement was found with experimental isotherms. Based on the structural analyses, two orientations of the head groups clearly appear. We propose that the conformational variations around the bonds connecting the phosphorus atom to the adjacent oxygen are involved in these specific orientations. Both acyl chains have distinct structural properties upon compression and suggest an independent behavior of the saturated and unsaturated chains that could be correlated with the formation of chain-type clusters observed along the simulated trajectories. Molecular insight in structural properties of POPC monolayer provides essential clues for the study of membrane-molecule interaction.