2019
2022
Thèse
« Alphabet Mécanique » : pour la modélisation moléculaire interactive de biopolymères à différentes échelles
Encadrant : Jean Cognet

Présentation :  Ce sujet vise à résoudre un problème fondamental et à développer un outil de modélisation et de simulation interactif des biopolymères à l’interface de la physique et de la biologie (JC) à l’aide d’approches de mécanique et de robotique (SH), en vue d’applications pratiques :

(JC) Modélisation mésoscopique des biopolymères, Jean Cognet Laboratoire Jean Perrin  LJP,

(SH) Interactions Multi-échelles,(interface haptique et robotique, réalité virtuelle en modélisation moléculaire interactive), Sinan Haliyo Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique ISIR.

 Contexte et enjeux  Nous avons observé, avec l’approche de modélisation moléculaire Biopolymer Chain Elasticity (BCE), que la chaîne sucre-phosphate des Acides Nucléiques (AN) se comporte aux échelles mésoscopiques (plusieurs nucléotides ou résidus) comme une tige solide flexible continue. Puis, entre 2014-18, nous avons montré que : (i) trois paramètres physiques suffisent pour décrire et classer toutes les déformations statiquement admissibles des tiges infinies, comme les boucles et les hélices, et que toute tige déformée s’inscrit dans un tube hélicoïdal paramétrable, (ii) les chaînes articulées infinies, comme celles issues de biopolymères, possèdent les mêmes caractéristiques géométriques.

Objectifs et Projet : Notre objectif est de généraliser cette idée et cette méthodologie pour la modélisation hiérarchique des chaînes de biopolymères : AN et protéines. 

Pour les AN, cette approche doit donner pour la première fois un moyen de quantifier, à l’échelle des nucléotides, les forces et les énergies mécaniques dans les conformations de boucles d’ADN de référence très bien résolues. Pour les protéines, il s’agit de formaliser ce langage paramétré avec des formes élémentaires et de construire à l’échelle atomique un alphabet mécanique à partir d’une banque de boucles expérimentales, et d’un alphabet structural existant issu d’analyses informatiques. Ce sont en effet des objets géométriques et mécaniques précis qui minimisent l’énergie. Cette approche sera liée à la conception de peptides cycliques thérapeutiques. Nous utiliserons enfin cette description par fragments pour comprendre la protéine ribosomale, eL42, qui a un rôle catalytique vital pour la synthèse de toutes les protéines, et qui est classée comme une Protéine Intrinsèquement Désordonnée.

 Applications générales : Un outil général de simulation fondé sur cet alphabet mécanique pour la résolution et la conception des biopolymères est alors envisageable, car les biopolymères pourront être soumis à des interactions à la disposition des utilisateurs pour toutes les questions de modélisations de toutes tailles : reconnaissance, interaction, docking. Cette approche de modélisation par des tiges flexibles / chaînes articulées est aussi pertinente pour la virtualisation moléculaire pour une simulation avec retour haptique.

Profil : Cette proposition s’adresse à un étudiant avec profil mécanique, physique, ou maths, ou à un ingénieur, qui souhaite explorer un sujet de modélisation et de physique à l’interface avec la biophysique, en vue de construire une modélisation moléculaire interactive.

Bibliographie ( http://www.labos.upmc.fr/ljp/?article12 : références et liens téléchargeables)

[1]C. Pakleza, G.P.H. Santini, J.A.H. Cognet (2003) Nucl. Acids Res. 31, 1075-1085 & 1086-1096sur Biopolymer Chain Elasticity.

[2] G.P.H. Santini1, J.A.H. Cognet1, et al. (2009) J. Phys. Chem. B, 113, 6881-6887. . http://www.labos.upmc.fr/ljp/?publi164

[3] M. Baouendi1, J.A.H. Cognet1 et al. (2012) FEBS J., 279, 479-490. http://www.labos.upmc.fr/ljp/?publi165

[4] O. Ameline, S. Haliyo, X.x. Huang, et J.A.H. Cognet (2017) J. Math. Phys., 58, 062902. http://www.labos.upmc.fr/ljp/?publi162

[5] O. Ameline, S. Haliyo, X.x. Huang, et J.A.H. Cognet (2018) J. Comp. Phys., 373, 736-749. http://www.labos.upmc.fr/ljp/?publi278

[6] C. Hountondji, et al. (2018) Biochimie, 158, 20-33. http://www.labos.upmc.fr/ljp/?publi305

[7] A. Bolopion2, et al. & S. Régnier2 (2011), IEEE WorldHaptics, 469-474. 

[8] A. Bolopion2, B. Cagneau, S. Haliyo; S. Régnier (2008), J. of Micro-Nano Mechatronics, 4, 145-158.

Publications reliés

Classifications of ideal 3D elastica shapes at equilibrium - J. Maths Phys.
O. Ameline , S. Haliyo , X. Huang , J.A.H. Cognet
  URL Full text PDF Bibtex doi:https://doi.org/10.1063/1.4983570
Solution structure of a truncated anti-MUC1 DNA aptamer determined by mesoscale modeling and NMR - The FEBS Journal
M. Baouendi, , J.A.H. Cognet , C.S. Ferrriera , S. Missailidis , J. Coutant , M. Piotto , E. Hantz, , C. Hervé du Penhoat,
  URL Full text PDF Bibtex doi:doi:10.1111/j.1742-4658.2011.08440.x

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