Création de systèmes moléculaires artificiels pour la génération de motifs et la régulation génétique

Design of molecular systems for artificial pattern formation and gene regulation

• Auteur / Autrice : Anis Senoussi
• Direction : André Estévez Torres
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biophysique
• Date : Soutenance le 11/09/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Jean Perrin (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Rondelez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Berthoumieux, Zoher Gueroui, Jean-Christophe Galas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Delanoë-Ayari, Francesc Sagués

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traduction génétique

Riborégulateurs

Protéines recombinées

ADN -- Réplication

Régulation génétique

Aspect moléculaire

Systèmes auto-organisés

Mots clés libres

Auto-organisation

Matière active

Réaction-diffusion

Régulation génétique

Formation de motifs

Acides nucléiques

Pattern formation

Gene regulation

DNA reaction-diffusion

Résumé

Comment concevoir des matériaux qui se façonnent eux-mêmes ? Nous proposons dans cette thèse de répondre en partie à cette question en construisant des systèmes moléculaires imitant deux caractéristiques essentielles de la vie : la formation de formes et motifs et la régulation génétique. Nous avons reconstitué un système actif composé de multimères de kinésines et de microtubules. Ainsi, nous avons décrit le comportement d'un tel système en fonction d'un nombre restreint de paramètres : contractions locales et globales du réseau de microtubules, écoulement actif des faisceaux de microtubules ou encore formation d'une nouvelle structure 3D constituée d'une feuille nématique ondulée. Ce fluide actif a ensuite été combiné avec des réactions chimiques programmables composées de courts brins d'ADN et d'enzymes. Ce système donne naissance à un front réacto-diffusif d'ADN capable de se propager dans un environnement actif, montrant ainsi la possibilité de créer un système complexe où deux mécanismes d'auto-organisation - matière active et réaction-diffusion - sont mis en œuvre en même temps. Enfin, nous avons utilisé des régulateurs ARN de la traduction conçus de novo. Nous avons montré qu'un système de transcription-traduction composé de protéines recombinantes fournit des informations précieuses sur les performances de tels riborégulateurs conçus in silico. Nous espérons que ces approches contribueront à la conception de matériaux hors-équilibre dotés de propriétés uniques.

Can we engineer matter that shapes itself ? To elucidate this question we have built molecular systems that mimic two essential features of life: pattern formation and gene regulation. We have designed an active reconstituted system composed of kinesin clusters and microtubules. Depending on their concentrations, we have rationally reported dynamic patterns such as local and global contractions, active flows and a new 3D regular pattern consisting of a corrugated active nematic sheet with tunable wavelength and dynamics. We have combined this active fluid with a programmable chemical reaction network composed of short DNA strands and enzymes. In particular we have observed the propagation of a DNA reaction-diffusion front in an active environment; they form then a complex system in which two patterning mechanisms - active matter and reaction-diffusion - are coupled to shape a material, which is reminiscent of morphogenetic processes happening during embryo development. Finally, we have used de novo engineered RNA translational regulators and have showed that a cell-free transcription-translation system composed of recombinant proteins can provide valuable information about the performances of in silico designed riboregulators. We hope that these approaches will help in the design of out-of-equilibrium materials with new properties.