Étude in situ de la fragmentation radio-induite de molécules d’ADN en solution aqueuse

In situ study of radiation-induced fragmentation of DNA molecules in aqueous solution

• Auteur / Autrice : Rémy Liénard
• Direction : Franck Gobet, Philippe Barberet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 21/07/2025
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Deux Infinis (Bordeaux ; 2022-....)
• Jury : Président / Présidente : Christine Grauby-Heywang
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Poully, Thomas Salez, Judith Peters
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernadette Farizon-Mazuy, Marie-Anne Hervé du Penhoat
• DOI : 10.70675/5fe7fb90zad9bz4fc6za4cbzdf1f793a2b0d

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protons

Effets de solvant (chimie)

ADN

Mots clés libres

Interaction particule-matière

ADN

Section efficace

Effet du solvant

In situ

Protons

Particle matter interaction

DNA

Cross section

Solvent effect

In situ

Protons

Résumé

La fragmentation radio-induite des molécules d’ADN en solution aqueuse constitue un enjeu fondamental en radiobiologie et en radiothérapie, où une compréhension précise des mécanismes de cassure de l’ADN est cruciale. Dans ce travail, une attention particulière a été portée à l’influence du solvant sur les processus de cassure double brins de l’ADN sous faisceau de protons de 3MeV, en s’appuyant sur une approche expérimentale de type pompe-sonde. Une méthode originale d’observation in situ, combinant irradiation localisée (pompe) et microscopie par fluorescence (sonde) sur la ligne microfaisceau de la plateforme Applications Interdisciplinaires de Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine (AIFIRA), a été développée. L’ADN utilisé est celui du bactériophage T4 marqué avec un intercalant fluorescent et suivi en temps réel, avant et après irradiation dans une solution où la force ionique et la durée de vie des radicaux libres sont contrôlées. Pour mener à bien cette étude, un outil numérique novateur couplant machine learning et suivi particulaire a été développé. Cet outil permet d’effectuer une analyse événement par événement, molécule par molécule, et permet de quantifier la fragmentation de molécules d’ADN en solution, dans différentes conditions de solvant. Couplée à des modèles issus de la physique statistique et de la matière molle, cette approche permet de mesurer les sections efficaces associées aux cassures double brins provoquées par les effets directs d’ionisations des protons sur les molécules d’ADN en solution aqueuse. Ce manuscrit vise à présenter la méthodologie mise en oeuvre et les premiers résultats expérimentaux obtenus, notamment ceux portant sur l’effet protecteur de l’eau lors de l’irradiation l’ADN et l’effet stabilisant des ions sur la fragmentation de l’ADN.

Radiation-induced fragmentation of DNA molecules in aqueous solution represents a central issue in both radiobiology and radiotherapy, where a precise understanding of DNA double-strand break mechanisms remains crucial. In this work, particular attention was given to the influence of the solvent on DNA double-strand breaks (DSBs) induced by a 3MeV proton beam, through a pump-probe experimental approach. An original in situ methodology using localized irradiation (pump) and fluorescence microscopy (probe) has been developed on the microbeam line of the AIFIRA platform (Applications Interdisciplinaires de Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine). The DNA studied is that of bacteriophage T4, labeled with a fluorescent dye, and monitored in real time before and after irradiation in a solution where both ionic strength and radical lifetime are controlled. To support this study, an innovative numerical tool using machine learning and single particle tracking was designed. This tool enables event-by-event, molecule-by-molecule analysis and quantification of DNA fragmentation in solution under various solvent conditions. In association with models from statistical physics and soft matter physics, this approach allows the extraction of cross sections associated with double-strand breaks caused by the direct ionization effects of protons on DNA molecules in aqueous environments. Thismanuscript presents the methodology implemented and the first experimental results obtained, in particular those highlighting the protective effect of water during DNA irradiation and the stabilizing influence of ionic strength on DNA fragmentation.