Expériences et modélisation par dynamique moléculaire gros-grain du transport de l'ADN à travers l'alpha-hémolysine.

Experiments and coarse-grained molecular dynamics of DNA transport through alpha-hemolysin nanopore

• Auteur / Autrice : Delphine Dessaux
• Direction : Jérôme Mathé, Nathalie Basdevant, Rosa Ramirez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/07/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire analyse et modélisation pour la biologie et l'environnement (Evry, Essonne ; 1998-) - Laboratoire Analyse- Modélisation et Matériaux pour la Biologie et l'Environnement / LAMBE - UMR 8587
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Simonson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Basdevant, Rosa Ramirez, Jan C. Behrends, Nicolas Floquet, Samuela Pasquali, Christophe Ybert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jan C. Behrends, Nicolas Floquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hémolysines

ADN viral

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Dynamique moléculaire

Alpha-Hémolysine

Nanopore

Gros-Grain

Dna

Coarse-Grain

Nanopore

Molecular Dynamics

Résumé

L'alpha-hémolysine est un nanopore protéique qui permet le transport de molécules ou d'ions à travers une bicouche lipidique. Elle est couramment utilisée dans les expériences de translocation à travers un nanopore et permet le passage d'acides nucléiques tels que l'ADN, sous forme simple brin. Des séquences d'ADN double brin peuvent ainsi être séparées par transport à travers cette protéine. Le mécanisme d'ouverture de ces molécules est toutefois encore incertain. La modélisation par dynamique moléculaire pourrait permettre d'obtenir les détails de ce processus. Cependant, les champs de force classique tout-atome ne permettent pas d'atteindre des durées de simulation suffisantes pour observer la translocation d'une molécule d'ADN. Une alternative est l'utilisation de champs de force gros-grain, qui regroupent plusieurs atomes en un seul site, réduisant ainsi le temps de calcul.Dans cette thèse, nous avons employé le champ de force MARTINI afin de modéliser le transport d'ions et de molécules d'ADN simple brin à travers l'alpha-hémolysine. De cette manière, les phénomènes d'asymétrie de courant, ou rectification, et de sélectivité pour les anions, tous deux caractéristiques de cette protéine ont pu être retrouvés. Nous avons également pu déterminer la répartition des ions dans le canal du pore, ainsi que les acides aminés chargés à l'origine de ces comportements particuliers du courant. De plus, l'utilisation de la méthode de dynamique moléculaire dirigée, qui consiste à appliquer une force sur la molécule pour forcer son passage dans le pore, a permis d'observer le transport d'un simple brin d'ADN à travers l'alpha-hémolysine, ouvrant la voie à des simulations de translocation de molécules double brin.De telles simulations pourraient permettre d'élucider l'origine des deux régimes d'ouverture de séquence en fonction de la longueur que nous avons mesurés expérimentalement par la technique de « resistive pulse ».

Alpha-hemolysin is a protein nanopore which allows the transport of molecules or ions through a lipid bilayer. This protein is commonly used for translocation experiments through a nanopore and enables the passage of nucleic acids, such as DNA, in single-stranded form. Double-stranded DNA sequences can therefore be separated by transport through an alpha-hemolysin pore. However, the opening mechanism of these molecules is still questionable. Molecular dynamics modelling could provide details of this process. However, classical all-atom force fields cannot achieve sufficient simulation times to observe the translocation of a DNA molecule. The use of coarse-grain force fields, which represent several atoms by one site, is a good alternative to reduce the computation time.In this thesis, we applied the MARTINI force field to model the transport of ions and single-stranded DNA molecules through alpha-hemolysin. Thereby, the phenomena of current asymmetry, or rectification, and anion selectivity, both characteristic of this protein, could be determined. We were also able to establish the ions distribution inside the pore channel, as well as the charged amino acids responsible for these specific current behaviours. In addition, the Steered Molecular Dynamics method, which involves applying a force on the molecule to force its passage through the pore, was used to observe the transport of a single strand of DNA through alpha-hemolysin, paving the way for simulations of translocation of double-stranded molecules.Such simulations could help to elucidate the origin of the two sequence-opening regimes as a function of the sequence length that we have measured experimentally using the ''resistive pulse'' technique.