Dézippage d'ADN dans un nanopore : expériences et modélisation // DNA unzipping through a nanopore: experiments and modelling

La dynamique des polymères biologiques traversant un canal joue un rôle clé dans de nombreux processus biologiques et applications biotechnologiques, comme le séquençage de l'ADN par nanopores. L'analyse du courant ionique traversant un nanopore sous champ électrique permet d'étudier cette dynamique, les fluctuations de courant reflétant les interactions mises en jeu. La détermination précise des paramètres influençant le transport est cruciale pour élaborer des stratégies innovantes de contrôle de la vitesse de translocation, un enjeu majeur pour les nanobiotechnologies.
Nous avons démontré récemment que la dynamique moléculaire gros-grain modélise efficacement le comportement d'un pore d'-hémolysine dans une membrane, du point de vue de la mesure du courant ionique [1]. Nous avons aussi démontré expérimentalement que le transport d'ADN dans les pores protéiques était largement contrôlé par une barrière d'énergie due notamment à l'interaction électrostatique entre l'ADN et le pore [2]. Ce résultat expérimental a été aussi prédit théoriquement par un modèle statistique macroscopique incluant cette énergie d'interaction. Plus recemment, en utilisant le champ de force gros-grain MARTINI [3], des simulations de dynamique moleculaire nous ont permis de démontrer que, bien que la representation gros-grains simplifie le modele moléculaire, celle-ci permet de reproduire des effets subtils observés expérimentalement [4]. Ainsi, la large distribution des temps de passage des ADN ou l'influence de l'orientation de la molécule dans le pore ont été observés grâce à des simulations de plusieurs μs.
Dans la continuité de ces travaux, cette thèse vise à explorer la dynamique du dézippage de l'ADN double brin lors de son passage dans un nanopore protéique. Jusqu'ici, nos études se sont concentrées sur l'ADN simple brin, mettant en évidence l'importance des interactions électrostatiques dans la translocation. L'extension à l'ADN double brin introduit de nouveaux défis, notamment la prise en compte des liaisons hydrogène stabilisant l'appariement des bases.
L'objectif principal est de développer un modèle moléculaire gros-grain de l'ADN intégrant ces liaisons hydrogène, en adaptant le champ de force MARTINI et en utilisant un potentiel Lennard-Jones pour modéliser l'énergie de liaison entre bases appariées, à l'instar du modèle de Go pour les protéines [5]. Le paramétrage de ce potentiel nécessitera la détermination des coefficients spécifiques des paires A-T et G-C, en s'appuyant sur des ajustements aux données expérimentales. De plus, ce projet propose de compléter cette étude en calculant les courants ioniques sur les trajectoires de dynamique moléculaire par la méthode SEM (« steric exclusion method ») [6], basée sur les éléments finis, afin de pouvoir comparer ces courants ioniques aux résultats expérimentaux.
Cette thèse associera deux approches complémentaires, expérimentale et numérique, pour mieux comprendre la dynamique du dézippage de l'ADN double brin dans un nanopore. Le ou la candidat(e) mènera des expériences de translocation d'ADN dans les pores protéiques tout en développant un modèle de dynamique moléculaire gros-grain du même processus. L'objectif est de mettre en place une méthodologie interactive expériences-simulations-expériences afin d'affiner la compréhension des mécanismes impliqués et d'optimiser le contrôle de la vitesse de translocation.
Ce travail se distingue par son approche intégrée combinant un modèle de liaison hydrogène basé sur un potentiel Lennard-Jones et une validation expérimentale. Les résultats obtenus pourraient permettre d'affiner les conditions expérimentales et de proposer de nouvelles stratégies pour optimiser la translocation de l'ADN dans les nanopores protéiques, avec des implications directes pour des applications biotechnologiques comme le séquençage de l'ADN.
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The dynamics of biological polymers passing through a channel are crucial in various biological processes and biotechnological applications, such as RNA export through the nuclear pore complex, DNA ejection by phages, protein translocation, and DNA sequencing using nanopores. Experimental studies rely on analyzing ionic current fluctuations through a nanopore under an electric field, which reveal the interactions at play. Accurately determining the parameters governing transport is essential for developing innovative chemical or mechanical strategies to control translocation speed, a key factor in nano-biotechnology applications.
Our previous work demonstrated that coarse-grained molecular dynamics effectively models α-hemolysin pores in membranes from an ionic current measurement perspective [1]. We also showed experimentally that DNA transport in protein pores is largely controlled by an energy barrier, primarily due to electrostatic interactions with the pore, a result also predicted by a macroscopic statistical mode [2]. Using the MARTINI coarse-grained force field [3], we further demonstrated that despite the simplified molecular representation, simulations successfully reproduce subtle experimental effects, including DNA passage time distribution and molecular orientation influence [4].
Building on these findings, this thesis aims to integrate experiments and modeling to investigate the unzipping dynamics of double-stranded DNA as it translocates through a protein nanopore. While previous research focused on single-stranded DNA and highlighted the role of electrostatic interactions in translocation, extending to double-stranded DNA introduces new challenges, particularly regarding the role of hydrogen bonds stabilizing base pairing.
The main objective is to develop a coarse-grain molecular model for DNA that accurately represents hydrogen bonding by adapting the MARTINI force field and employing a Lennard-Jones potential to model base-pair binding energy, similar to the Go model for proteins [5]. This requires parameterizing specific coefficients for A-T and G-C pairs, based on experimental data fitting. Additionally, ionic currents will be computed from molecular dynamics trajectories using the SEM (steric exclusion method) [6], based on finite element analysis, to compare simulations with experimental results.
This thesis will adopt a dual approach, combining experimental studies of DNA unzipping in protein pores with coarse-grained molecular dynamics simulations. The candidate will leverage both methodologies, implementing an iterative experiment-simulation feedback loop to refine understanding of translocation control mechanisms.
This research is distinctive in its focus on double-stranded DNA unzipping dynamics, a fundamental process with implications for DNA sequencing and molecular-scale translocation control. Integrating a Lennard-Jones potential for hydrogen bonding within a simulation-experiment framework will enhance understanding of the physical and chemical mechanisms governing this process. Furthermore, the findings could contribute to optimizing experimental conditions and developing novel strategies for regulating DNA translocation through protein nanopores.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc GS-Chimie

Université Paris-Saclay GS Chimie

571 Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes

Le candidat devra être inscrit cette année dans un master 2 de Physique, Physico-chimie, Biophysique ou Biologie (avec un parcours contenant de la physique). Idéalement le candidat aura déjà effectué un stage dans l'un des deux domaines du sujet présenté : modélisation par dynamique moléculaire et biophysique expérimentale.
Master 2 in Physics or Physico-chemistry or Biophysics or Biology (with a component of physics); Ideally, the candidate would have done an internship in either molecular dynamics modelling or experimental biophysics.