Dynamique collective de protéines membranaires passive et conformationellement actives

Collective dynamics of passive and conformationally active membrane proteins

• Auteur / Autrice : Quentin Goutaland
• Direction : Jean-Baptiste Fournier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière et Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Bassereau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patricia Bassereau, Martin Müller, Nicolas Destainville
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martin Müller, Nicolas Destainville

Mots clés

Mots clés contrôlés

Membranes (biologie)

Hydrodynamique

Matière active (physique)

Matière molle (physique)

Mots clés libres

Matière molle

Matière active

Interactions hydrodynamiques

Interactions médiées

Membranes biologiques

Sotf matter

Active matter

Hydrodynamics interactions

Mediated interactions

Biological membranes

Résumé

Les membranes biologiques sont des constituants importants de nos cellules qui ont pour rôle d'isoler le cytoplasme du fluide extracellulaire. Les bicouches lipidiques, qui forment la base de ces membranes, sont des structures auto-assemblées qui confèrent ses propriétés de fluidité et d'élasticité aux membranes. De plus, les membranes biologiques contiennent des protéines, objets rigides existant dans une grande variété de formes et impliqués dans plusieurs mécanismes biologiques tels que les transports intra et extracellulaires. En raison de leur forme et de leur rigidité, certaines protéines peuvent déformer les membranes. D'autres sont même conformationellement active, i.e., elles peuvent changer leur forme, passant sur des états qui peuvent déformer ou non la membrane Ces déformations élastiques entraînent des interactions médiées élastiques entre les protéines, auxquelles s'ajoutent des interactions de type Casimir issues des fluctuations de la forme de la membrane. En outre, la membrane biologique est entourée par un solvent, ajoutant ainsi des couplages hydrodynamiques. Cette thèse aborde la dynamique collective de protéines membranaires passives et conformationellement actives qui induisent une courbure locale à la membrane, au travers d'approches à la fois analytiques et numériques. Dans le Chapitre 3, nous déterminons analytiquement et numériquement le diagramme de phase à l'équilibre thermique d'une membrane en présence de protéines induisant une courbure qui peuvent s'accrocher ou se décrocher de la membrane en fonction de leur courbure spontanée et du potentiel chimique du réservoir de protéines. Au moyen d'une analyse non-linéaire, nous étudions la structure adoptée par la phase instable. Nous étendons ensuite l'étude du système au cas hors-équilibre en ajoutant des taux actifs au processus d'accrochage et de décrochage des protéines. Dans le Chapitre 4, nous appliquons une approche ponctuelle à l'étude de la diffusion d'une protéine membranaire isolée. Cette méthode nous permet de retrouver simplement la loi de Saffman-Delbrück (SD) qui régit la mobilité d'un objet se déplaçant dans un fluide bidimensionnel. Nous présentons ensuite des généralisations de cette loi en prenant en compte le caractère bicouche de la membrane. Enfin, nous obtenons analytiquement la correction de la loi de SD pour une protéine qui génère une courbure spontanée locale. Dans le Chapitre 5, nous présentons une approche numérique qui nous permet de confirmer des prédictions sur le comportement à long terme de la diffusion collective de protéines dans une membrane non fluctuante et en présence de couplages hydrodynamiques. Nous étudions ensuite le comportement collectif de protéines induisant une courbure locale dans une membrane fluctuante.

Biological membranes are important constituents of our cells that isolate the cytoplasm from the extracellular fluid. Lipid bilayers, which form the basis of these membranes, are self-assembled structures that give fluidity and elastic properties to the membranes. Furthermore, biological membranes contain proteins, rigid objects coming in various shapes and implied in many biological mechanisms such that intra and extracellular transport. Due to their shape and rigidity, some proteins can deform the membranes. Some of them are also conformationally active, i.e., they can switch between states which can either deform the membrane or not. These elastic deformations cause elastic mediated interactions between proteins, which are supplemented by Casimir-like interactions coming from the membrane shape fluctuations. In addition, a biological membrane is surrounded by a solvent fluid adding hydrodynamic couplings. This thesis deals with the collective dynamics of passive and conformationally active proteins that induce a local curvature to the membrane, using both analytical and numerical approaches. In Chapter 3 we determine analytically and numerically the phase diagram of a membrane in presence of thermalized curvature-inducing proteins that can bind to or unbind from the membrane as a function of their spontaneous curvature and the chemical potential of the reservoir. By means of a nonlinear analysis we study the pattern selected by the unstable phase. We then extend the study by adding active rates to the binding/unbinding process of proteins. In Chapter 4 we apply a pointlike approach to study the diffusion of a membrane protein. This method allow us to make a simple derivation of the well-known Saffman-Delbrück (SD) law that governs the mobility of an object moving in a bidimensional fluid. We then present analytical generalizations of this law by taking into account the bilayer nature of the membrane. We are able to derive the correction of the SD law for a protein that creates a local spontaneous curvature. In Chapter 5, we present a numerical approach that allow us to confirm the predictions made in the literature on the long-time behavior of the collective diffusion of proteins in a non-fluctuating membrane and in the presence of hydrodynamic couplings. We then study the collective behavior of curvature-inducing proteins in a fluctuating membrane.