MS/MS sequencing methodologies to read encoded polymers

par Jean-Arthur Amalian

Thèse de doctorat en Chimie. Spectrométrie de masse

Sous la direction de Laurence Charles.

Soutenue le 05-09-2019

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences Chimiques (Marseille) , en partenariat avec Institut de Chimie Radicalaire (ICR) (Marseille) (laboratoire) .

Le président du jury était Christine Enjalbal.

Le jury était composé de Trang Phan, Jean-François Lutz, Didier Gigmes.

Les rapporteurs étaient Chrys Wesdemiotis, Frédéric Aubriet.

  • Titre traduit

    Méthodologies de séquençage MS/MS de polymères encodés


  • Résumé

    L’objectif de ces travaux de thèse était de développer des stratégies de séquençage MS/MS pour lire des messages binaires écrits dans des polymères synthétiques grâce à une séquence définie de deux co-monomères. Lire de tels messages requiert une couverture de séquence totale, obtenue lorsque les ruptures du squelette polymérique génèrent un nombre limité de séries de fragments. Parce que le comportement dissociatif d’un polymère est dicté par la nature de ses liaisons chimiques, la stratégie mise en œuvre a consisté à utiliser les données MS/MS des chaînes courtes pour optimiser la structure de longs polymères, comme appliqué au cas des poly(phosphodiester)s difficiles à séquencer au delà de DP 50 du fait de la dissociation complexe des groupements phosphates. Leur structure a été modifiée en plaçant des liaisons alcoxyamines entre chaque unité (ou bit) pour rendre toute autre liaison muette en MS/MS. La résolution instrumentale a limité le séquençage à des chaînes de DP 40, ce qui correspond à 80 bits d’information lorsque l’alcoxyamine est utilisée comme un second segment codant pour augmenter la densité de stockage. Un second design moléculaire encore plus efficient a conduit aux poly(alcoxyamine phosphodiester)s à blocs, dans lesquels une liaison alcoxyamine est placée entre chaque octet d’information. La lecture de longs messages est réalisée par MS3, où les fragments générés pendant la première étape d’activation contiennent un seul octet et sont séquencés individuellement au cours de la seconde étape. L’utilisation d’un système de marqueurs pour déterminer la localisation initiale de chaque octet permet de restituer la séquence complète


  • Résumé

    This thesis work aimed at developing MS/MS sequencing strategies to read binary messages written in synthetic polymers based on a defined sequence of two co-monomers. Reading such messages requires full sequence coverage, which can be achieved when dissociation reactions occur via efficient backbone bond cleavages but yield a limited number of fragment series. Because dissociation behavior of polymers is dictated by the backbone chemistry, the strategy developed here was to use MS/MS data to re-engineer the structure of long polymers, as applied here to poly(phosphodiester)s, hardly sequenced above DP 50 due to complex dissociation of phosphate groups. Their structure was modified by placing low dissociation energy alkoxyamine linkages between each unit (or bit), which made any other chemical bonds MS/MS-silent. Due to instrumental resolution capabilities, the upper sequencing limit was DP 40, corresponding to 80 bits of information when using the alkoxyamine moiety as a second coding segment to increase storage density. This first design paved the way to the development of byte-truncated poly(alkoxyamine phosphodiester)s, a more MS/MS-efficient structure in which alkoxyamine bonds were placed between each byte of information. Long messages could be read in MS3 experiments, where single-byte fragments released during the first activation stage were further dissociated for sequencing. The whole sequence was re-constructed thanks to a mass tagging system used to determine the original location of each byte in the polymer chain


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