Effets de non équilibre en biologie cellulaire et nano-biotechnologie : de la chimie pre-biotique aux principes physiques de fonctionnement d'enzymes et autres moteurs moléculaires.

Non-equilibrium effects in cell biology and nano-biotechnology: from pre-biotic chemistry to the physical principles underlying the functioning of enzymes and other molecular motors.

• Auteur / Autrice : Thibault Fillion
• Direction : Francesco Piazza, Josef Hamacek
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2020
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Santé, Sciences Biologiques et Chimie du Vivant - SSBCV
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de biophysique moléculaire (Orléans ; 1967-....)

Mots clés

Mots clés libres

Migration cellulaire

Methodes de Monte-Carlo

Physique statistique de non équilibre

Approches informatiques

Master equation and its expansions

Non-equilibrium statistical physics

Cell migration

Monte-Carlo methods

Stochastic processes

Computational approaches

Résumé

3. Résumé : Les phénomènes d'auto-organisation et de réplication dans les systèmes moléculaires sont des processus qui réduisent l'entropie et augmentent l'énergie interne (la plus part des molécules biologiques sont instables en milieu aqueux). Par conséquent, ces processus augmentent l'énergie libre du système et ne peuvent donc pas se produire spontanément, nécessitant donc d'un apport constant d'énergie provenant de l'environnement (1-3). Dans les mots prophétiques de Schrödinger (2) «la matière vivante échappe à la dégradation de l'équilibre». Ainsi, les lois fondamentales de la thermodynamique de non-équilibre, dont la formalisation pose encore des défis majeurs, régissent tous les systèmes (bio)chimiques ouverts, dont les propriétés peuvent être très différentes des prescriptions de la thermodynamique d'équilibre. Dans cette thèse nous allons nous concentrer sur deux problèmes ouverts majeurs, dont les implications sont vastes, et au niveau fondamental et au niveau des applications en science de la vie et en nano(bio)technologie. Objectif 1 Un des effets le plus surprenants et aux implications majeures qui se produisent dans des systèmes chimiques hors équilibre est la stabilisation d'espèces chimiques instables à l'équilibre. En conditions de non équilibre (par exemple en présence d'un gradient de température ou de potentiel chimique) de l'énergie est injectée dans le système, qui la dissipe dans l'environnement en effectuant des cycles. La cinétique d'une enzyme dans la cellule est peut-être l'exemple plus simple d'un tel cycle de non-équilibre (CNE). Des conditions de ce type impliquent la brisure du bilan détaillé (qui définit l'équilibre thermodynamique) et donc forcent le système vers un autre état stationnaire que celui prescrit par l'équilibre thermodynamique, où notamment des états (espèces) chimiques instables peuvent être stabilisés. Ce qui est remarquable, ceci dépend des vitesses (constantes cinétiques des transformations) des différentes réactions, et donc des barrières dans les panoramas d'énergie libre, qui ne jouent strictement aucun rôle à l'équilibre ! Dans cette thèse nous allons élaborer des modèles théoriques pour décrire des réseaux de réactions chimiques hors équilibre, en particulier la chimie de la dégradation de l'ATP et l'isomérisation du D-ribose, en collaboration avec le groupe d'exobiologie pour la partie expérimentale (NMR 1D, PFG-NMR). Nous porterons une attention particulière au couplage entre le transport de masse et les transformations chimiques. Ce genre de couplage est d'une importance capitale dans le réglage fin des CNEs. Un exemple fascinant de ce mécanisme est la découverte récente du fait que les enzymes se comportent comme des particules actives, en utilisant une partie de l'énergie injectée dans les transformations chimiques en un mécanisme d'autopropulsion. De ce fait, une enzyme active remonte un gradient de substrat (4) tout comme une bactérie (oui, c'est de la chimiotaxie !), ce qui montre de manière claire que la barrière entre vivant et non vivant devient floue quand on comprend que n'importe quel systèmes chimique ouvert ne fait que suivre les lois fondamentales de la thermodynamique de non-équilibre. Objectif 2 La découverte récente que les enzymes pendant le cycle catalytique produisent des forces capables de les transformer en matière active (4-8) révèle l'existence de mécanismes fondamentaux à la fois de (i) transduction d'énergie libre entre transformations chimiques et travail mécanique et de (ii) fine-tuning des canaux d'absorption et de dissipation de l'énergie par un système chimique ouvert effectuant des cycles loin de l'équilibre. Dans cette partie de la thèse, nous allons nous concentrer sur le développement d'une théorie pouvant expliquer les origines microscopiques des mécanismes d'auto-propulsion des enzymes. Pour ce faire, nous dériverons des nouvelles équations de réaction-diffusion dont les solutions peuvent être cherchées sous forme d'expansion en séries de Fourier spatiales. Les modes zéro représentent ainsi l'évolution dans le temps des concentrations moyennes (e.g. enzyme, complexe, substrat, produit) sans référence aux variations spatiales, décrites, elles, par l'évolution temporelle des modes avec k (vecteur d'onde) différent de zéro. Ces expansions devront naturellement être tronquées en se basant sur l'intuition de l'échelle spatiale limite (cutoff supérieur en termes des modes k) en dessous de laquelle le transport devient dominant et on peut donc négliger les variations spatiales. Des simulations de dynamique moléculaire de modèles gros-grains seront aussi développées. Ce travail s'inscrit aussi dans le cadre de la collaboration de mon groupe avec le groupe du Prof. A Yethiraj, Memorial University of Newfoundland (MUN), avec qui nous sommes en train de concevoir des expériences pour étudier la diffusion active de nano- et micro-particules fonctionnalisées avec des enzymes (cf Ref. 5 pour une introduction à ce sujet).

Many phenomena in biology proceed in non-equilibrium conditions, e.g. under the action of steady gradients of chemical potential, such as enzyme catalysis in metabolic cycles, or in the case of active transport in the cell. Under non-equilibrium conditions the condition of detailed balance is broken and work can be done on an open system to break free of the constraints imposed by equilibrium thermodynamics, such as in the case of ultra-affinity displayed by HSP70 chaperones in their ATP-fuelled activities in the cell [10]. Remarkably, placing an open system in a non-equilibrium steady state can also result in pumping up the steady molar fraction of unstable species in a given chemical reaction network, a phenomenon that has recently been proposed by Prof. Piazza and co-workers to demonstrate that beta-furanose can be ultra-stabilized if the ribose isomerization network is considered under a steady temperature gradient, such as in the vicinity of a hydrothermal vent on the ocean floor. The aim of this thesis is to develop theoretical physical models and computational tools to describe non-equilibrium processes in biology and chemistry. More precisely, we will concentrate on the effect of steady gradients of chemical potential (chemostasis) and/or temperature on the non-equilibrium steady states of chemical reaction networks of different nature and topology. We will study these problems on general grounds, e.g. in the case autocatalytic collective networks, and investigate the role of the network topology and structure on the ultra-stabilization of unstable species. Furthermore, we will also concentrate on the specific case of chemical reaction networks of interest in the prebiotic chemistry community, such as the ribose isomerization network or autocatalytic collective networks. Another important part of this PhD project will be devoted to a theoretical study of enhanced diffusion of enzymes and enzyme-functionalized nano and microparticles, which have recently been shown to behave as molecular motors. Under non-equilibrium conditions, e.g. when a steady substrate excess is enforced through sustained substrate inflow and product outflow, enzymes have been shown to display a diffusion coefficient greater than in the absence of substrate. Moreover, remarkably, in the presence of a steady gradient of substrate, enzyme molecules display negative chemotaxis, i.e. become more concentrated in the regions where there are fewer substrate molecules. In order to tackle these puzzling problems, we will derive appropriate physical models of coupled enzyme/complex diffusion and chemical catalysis steps in the presence of steady gradients of substrate and develop the relative analytical (perturbation theories) and computational tools (master equations, stochastic modeling of coupled chemical kinetics and transport à la Gillespie).