Phénomènes de transport quantique dans les macromolécules

Quantum transport phenomena in macromolecules

• Auteur / Autrice : Elham Faraji
• Direction : Marco Pettini, Stefano Mancini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière
• Date : Soutenance le 29/04/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Università degli studi (Naples, Italie). Dipartimento di scienze fisiche
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de physique théorique (Marseille ; Toulon ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Roberto Passante
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cosmo Lupo, Jérémie Torres, Elena Floriani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philip Kurian, Jack A. Tuszynski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs électromagnétiques

Fourier, Spectroscopie par transformée de

Nucléotides

Transfert d'énergie

Phonons

Enzymes de restriction

Mots clés libres

Modèle de Davydov

Transmission de l'état qubit de fidélité

Enzyme de restriction EcoRI

Condensation quantique de phonons

Davydov model

Fidelity qubit state transmission

EcoRI restriction enzyme

Quantum phonon condensation

Résumé

Dans mon projet de doctorat, nous avons fait recours à un modèle partiellement emprunté aux modèles standard de Davydov et Holstein-Fröhlich introduits à l'origine pour rendre compte de l'interaction électron-phonon dans les macromolécules. Comme étape préliminaire, nous commençons d'abord à étudier le transfert de fidélité de l'état quantique dans un modèle de Davydov simplifié sans phonons en le considérant comme un réseau de spins. Ensuite, nous passons à un modèle plus réaliste de Davydov et Holstein-Fröhlich incluant phonons pour étudier l'effet dynamique des interactions électrodynamiques à longue portée dans les biomolécules, qui sont activées par des champs électromagnétiques externes. Sous l'action d'une source d'énergie externe à une protéine, nous avons déjà trouvé un phénomène intéressant de conversion d'énergie descendante de la lumière absorbée par une protéine vers ses excitation phononique. De plus, nous avons étudié la dynamique du transfert de charge sur l'ADN en fonction de la séquence de nucléotides et avons trouvé un spectre de fréquence large et bruyant ou très étroit du courant d'électrons suite au transfert d'énergie à l'électron et selon son site d'excitation sur l’ADN. Motivés par cette phénoménologie, dans un autre travail, nous étudions les co-résonances dans les spectres de Fourier croisés des courants électroniques excités le long des squelettes de protéines en interaction avec des fragments d'ADN suggérés par le modèle de Reconnaissance Résonante pour découvrir comment les rencontres des partenaires de réactions biochimiques peuvent être facilitées par l'activation de champs électromagnétiques externes.

In my PhD project, we resort to a model partly borrowed from the standard Davydov and Holstein-Fröhlich models originally introduced to account for electron-phonon interaction inmacromolecules. As an elementary step we first start studying quantum state transfer fidelity ina simplified Davydovs model without environment by considering it as a spin network. Then weshift on a more realistic Davydov and Holstein-Fröhlich model including environment (phonons)to study the dynamical effect of long range electrodynamic interactions in biomolecules, whichactivated by external electromagnetic fields. Under the action of an external source of energy toa protein (a chain of amino-acids), we have already found an interesting phenomenon of energydownconversion of the light absorbed by a protein into its internal vibrational modes (phononexcitation). Moreover, we studied the sequence-dependent charge transfer on DNA ( a sequenceof nucleotides) and found either a very narrow or a broad noisy frequency spectrum of theelectron current under shining external energy transferred to the electron and according to itsexcitation site. Motivated from this phenomenology, in another work, we are investigating coresonances in the cross-Fourier-spectra of the electronic currents excited along the backbonesof interacting proteins and DNA fragments suggested by resonant recognition model to findout how the partners of the biochemical reaction can be facilitated under activating externalelectromagnetic fields.