Extension d’un simulateur de corps rigides pour la matrice extracellulaire

Extension of a simulator using rigid-bodies dedicated to extracellular matrix.

• Auteur / Autrice : Camille Depenveiller
• Direction : Manuel Dauchez, Nicolas Belloy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Fondamentales et Santé (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Matrice Extra-cellulaire et Dynamique Cellulaire (MEDYC) (Reims, Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Modélisation et Imagerie Multi-Echelles
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Baud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Dauchez, Nicolas Belloy, Matthieu Montes, Régis Pomes, Annick Dejaegere, Katja Schenke-Layland
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Montes, Régis Pomes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des corps rigides

Élastine

Matrice extracellulaire

Mots clés libres

Echelle mésoscopique

Elastine

Dynamique des corps rigides

Matrice extracellulaire

Modélisation moléculaire

Unity3D

Mesoscopic scale

Elastin

Rigid bodies dynamics

Extracellular matrix

Molecular modeling

Unity3D

Résumé

La matrice extracellulaire (MEC) joue un rôle essentiel dans le soutien des tissus et des organes. En raison de limitations technologiques ne permettant pas son observation à l'échelle mésoscopique, l'organisation précise de la MEC reste mal connue, avec des données expérimentales rares ou floues. En utilisant des moteurs physiques tels que Unity3D, ainsi que la dynamique des corps rigides, un démonstrateur pour modéliser et simuler de grandes macromolécules biologiques sous la forme de chaînes dynamiques de corps rigides en interaction a été développé. Dans ce travail, nous avons utilisé des simulations de dynamique moléculaire tout-atome de différents fragments peptidiques caractéristiques de la tropoélastine. A partir de motifs penta- et hexamériques, des motifs de type polymère de ces séquences utilisés dans l’ingénierie biotechnologique ont été étudiés ainsi que trois exons spécifiques de la tropoélastine. L’analyse intensive des simulations des motifs et exons a permis de caractériser leurs comportements flexibles et dynamiques, leurs états de solvatation propre et leurs propriétés physico-chimiques d’hydrophobie et d’électrostatique. Enfin, sur la base de ces travaux, différentes méthodes de clustering ont été utilisées pour définir les primitives majeures qui sont utilisées dans le mésoscope DURABIN. La dynamique des corps rigides a pu être appliquée pour ces motifs caractéristiques et la mise en place d’une librairie de fragments a été proposée pour permettre de simuler des polymères en contraintes d’angles, évaluant les possibilités d’assemblage voire de comportement dans des environnements encombrés et rendre ainsi plus réaliste le modèle virtuel de la MEC.

The extracellular matrix (ECM) plays an essential role in supporting tissues and organs. Due to technological limitations that do not allow its observation at the mesoscopic scale, the precise organization of the ECM remains poorly known, with sparse or unclear experimental data. Using physics engines such as Unity3D, as well as rigid body dynamics, a demonstrator to model and simulate large biological macromolecules as dynamic chains of interacting rigid bodies has been developed. In this work, we used all-atom molecular dynamics simulations of different peptide fragments characteristic of tropoelastin. Starting from penta- and hexamer motifs, polymer-like motifs of these sequences used in biotechnological engineering were studied as well as three specific exons of tropoelastin. Intensive analysis of motifs and exons simulations allowed to characterize their flexible and dynamic behaviors, their proper solvation states and their physicochemical hydrophobicity and electrostatics properties. Finally, based on this work, different clustering methods have been used to define the major primitives that are used in the DURABIN mesoscope. Rigid body dynamics could be applied for these characteristic motifs and the implementation of a library of fragments was proposed to allow the simulation of polymers under angle constraints, evaluating the possibilities of assembly or even behavior in crowded environments and thus making the virtual model of the ECM more realistic.