Transmission de l'information à travers les générations: thermodynamique et implications évolutives

par Viktor Zahoransky

Projet de thèse en Chimie Physique

Sous la direction de Andrew Griffiths.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre , en partenariat avec Chimie Biologie et Innovation (laboratoire) et de Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    Les enzymes catalysent les réactions chimiques dans l'environnement cellulaire surpeuplé. Pour remplir leur fonction, ils doivent reconnaître et traiter leur substrat sur une base solide de molécules concurrentes. Cependant, dans la plupart des schémas réactionnels connus, la spécificité a un coût en termes de vitesse de réaction [1], ce qui conduit à un compromis qui peut avoir une pertinence évolutive fondamentale. Dans ce projet, ce compromis est traité à l'aide de l'ADN polymérase, des enzymes responsables de la transmission de l'information à travers les générations, comme modèle. Les polymérases agissent sous des contraintes d'origine très différente. D'une part, les lois de la thermodynamique imposent un compromis fondamental entre la spécificité d'une réaction chimique et sa vitesse de réaction. D'autre part, le taux de mutation est soumis à une sélection évolutive forte afin de produire la variabilité nécessaire à l'adaptation. Ces contraintes ne doivent pas être considérées comme indépendantes: il semblerait que, dans les virus à ARN, un compromis entre vitesse de réplication et précision détermine en réalité le taux de mutation [2]. La microfluidique des gouttelettes et le séquençage de nouvelle génération sont combinés pour mesurer à la fois le taux d'erreur et l'activité relative de grandes banques (107) de mutants de la polymérase en utilisant la polymérase Phi29 comme modèle. Cela fournira une image unique du mécanisme derrière la fidélité de la polymérase, un mécanisme qui est conservé dans les différents domaines de la vie.

  • Titre traduit

    Information Transmission Across Generations: Thermodynamics and Evolutionary Implications


  • Résumé

    Enzymes catalyse chemical reactions in the crowded cellular environment. To perform their function they must recognize and process their substrate over a strong background of competing molecules. In most known reaction schemes, however, specificity comes at a cost in terms of reaction rate [1], leading to a trade-off that can be of fundamental evolutionary relevance. In this project such trade-off is addressed using DNA polymerases, enzymes responsible for information transmission across generations, as a model. Polymerases act under constrains of very different origin. On the one hand the laws of thermodynamics impose a fundamental trade-off between the specificity of a chemical reaction and he reaction rate. On the other hand the rate of mutation is under strong evolutionary selection to produce just enough variability as required for adaptation. These constraints should not be thought of as independent: there is indication that, in RNA viruses, a trade off between replication speed and accuracy is actually setting the mutation rate [2]. Droplet microfluidics and next generation sequencing are combined to measure both the error-rate and the relative activity of large (107) libraries of polymerase mutants using the Phi29 polymerase as a model. This will provide a unique picture of the mechanism behind polymerase fidelity, a mechanism that is conserved across the different domains of life. [1] Dan Tawfik (2014). Current Opinion in Chemical Biology. 21:73-80 [2] Fitzsimmons WJ et al. (2018) PLoS Biol 16(6): e2006459