Lipid-detergent systems are interesting to study, as the two amphiphiles have very different spontaneous curvature, however readily form mixed micelles in solution. These micelles can be shorter cylindrical micelles or long worm-like micelles. For such a system the size of the micelles varies strongly with solute conditions, being dependent on the total amount of amphiphile in solution, as well as, the lipid to detergent ratio in the micelles. Although the broad phase behaviour of such systems has been studied and is relatively well understood, there are still many open questions remaining. Some of the questions that motivated the work presented are: how the length and composition of the micelles varies within the micellar region, and how the micelles grow? The biologically interesting system under study is lecithin and bile salt, where the equilibrium sizes were experimentally determined for different samples within the micellar region. A model, combining the length of the micelles, with the concentrations of lecithin and bile salt in the system is presented, and is used to calculate the composition of the micelles at equilibrium. The kinetics of the growth of the micelles after a pertubation causing a shift in the equilibrium size has not been studied in detail before. The kinetics of the system are studied using a stopped flow setup, which I specifically designed for neutron scattering experiments. The stopped flow setup allows for the measurement to start 200ms after the initial mixing of the two liquids, after dilution of a solution the micelles relax to a new longer length. The kinetics of this relaxation were studied as a function of the initial and final size of the micelles, as well as, the ionic strength of the solution. The micelles were found to grow through coalescence, where the rate of growth seems to be constant for different sizes of micelles and the time taken for the relaxation depends on the difference between the final and initial lengths of the micelles. The rate of growth is strongly influenced through changing the ionic strength of the solution, indicating the importance of an electrostatic barrier to the fusion of micelles.

Η παρούσα εργασία μελετά τα θερμικά ανοίγματα της διπλής έλικας του βιοπολυμερούς DNA χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις Monte Carlo σε θερμοκρασία 310 K. Οι υπολογισμοί βασίζονται στο φαινομενολογικό μοντέλο των Peyrand, Bishop και Dauxois καθώς και στον αλγόριθμο των Metropolis et al. Το πρώτο κεφάλαιο της εργασίας αφιερώνεται σε γενικές πληροφορίες γύρω από την δομή και τις λειτουργίες του γεννετικού υλικού. Επιπλέον περιέχει πληροφορίες γύρω από την μεταγραφή του DNA στα προκαρυωτικά κύτταρα. Επειδή σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση της συσχέτισης μεταξύ μεγάλων θερμικών ανοιγμάτων και θέσεων του βακτηριακού DNA που εμφανίζουν βιολογική λειτουργία (σημεία πρόσδεσης της RNA-πολυμεράσης και διαφόρων βοηθητικών μεταγραφικών παραγόντων) σε διάφορους υποκινητές οπερονίων του βακτηρίου της E.coli, γίνεται μια πιο λεπτομερής συζήτηση για τον τρόπο με τον οποίο τα οπερόνια αυτά επιτυγχάνουν τον έλεγχο της εκφρασής τους. Το δεύτερο κεφάλαιο αναφέρεται στο θεωρητικό υπόβαθρο της εργασίας. Γίνεται μια εκτεταμένη συζήτηση γύρω από τις προσομοιώσεις Monte Carlo και πιο συγκεκριμένα του κριτηρίου των Metropolis et al. Στο ίδιο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση του μοντέλου των Peyrand, Bishop και Dauxois. Στο μοντέλο αυτό η δυναμική ενέργεια του συστήματος αποτελείται από δυο όρους. Ο ένας αναφέρεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ των βάσεων ενός ζεύγους βάσης, ενώ ο άλλος στην αλληλεπίδραση μεταξύ των γειτονικών ζευγών βάσεων εξαιτίας της επικάλυψης των π μοριακών τροχιακών κάθε ζεύγους. Το μοντέλο επικεντρώνεται στον πιο προφανή βαθμό ελευθερίας του συστήματος: τη θερμικά ευαίσθητη (εξαιτίας των δεσμών υδρογόνου) απομάκρυνση μεταξύ των βάσεων ενός ζεύγους βάσης. Το τρίτο κεφάλαιο συγκροτείται από τα αποτελέσματα των υπολογισμών και τον σχολιασμό τους. Αρχικά παρουσιάζονται αποτελέσματα για απλούστερα συστήματα ταλαντωτών που αποτελούν οριακές περιπτώσεις του μοντέλου που περιγράφει το πρόβλημα των ανοιγμάτων της διπλής έλικας του DNA, όπως τα συστήματα των μονοδιάστατων ασύνδετων και συνδεδεμένων αρμονικών ταλαντωτών και το μονοδιάστατο σύστημα ανεξάρτητων ταλαντωτών Morse. Ακόμη παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων σε τυχαίες αλληλουχίες DNA που δεν σχετίζονται με κανέναν υποκινητή. Το κύριο μέρος του κεφαλαίου αυτού αφιερώνεται στην παράθεση και στον σχολιασμό των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων για τους υποκινητές των τεσσάρων οπερονίων του βακτηρίου E.coli που εξετάστηκαν: της λακτόζης, της τρυπτοφάνης, της γαλακτόζης και της πρωτείνης recA. Επίσης εξετάζονται και οι υποκινητές των γονιδίων AdMLP και AAV P5 αδενοιών. Στο τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας αυτής παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που εξήχθησαν. / This essay concentrates on studying thermal openings of biopolymer DNA using Monte Carlo simulations based on a microscopic model proposed by Peyrand, Bishop and Dauxois. The fist part of this work includes a brief discussion about the structure of the double helix of DNA and it’s main functions. Moreover in the same part of the assay the transcription regulation of the operons that are studied in our calculations is discussed. The used Peyrand, Bishop, and Dauxois model takes into account only the transverse stretching of the hydrogen bonds connecting complementary bases of the double stranded DNA. The potential energy of the model includes the potential energy between complementary bases and the stacking interactions between successive base-pairs. The Metropolis algorithm is used to produce equilibrium configurations of the double strand at temperature of 310 K. The Peyrand, Bishop and Dauxois model and the Metropolis method are described in the second chapter of this thesis. After equilibration, several other realizations (with numerous Monte Carlo steps, based on the Metropolis algorithm) are performed in order to measure the local probabilities for large openings and compare them with functional positions in specific promoter segments of biological interest (e.g. transcription starting sites, binding sites for regulatory proteins). The main goal of this project is to investigate several bacterial DNA gene promoter segments and to examine whether large openings occur with higher probability at biological functional sites. In particular we have examined the following operons: lac, tryptophane, gal, recA and the viral promoters AdMPL and AAV P5. Our results are compared with the binding sites of the RNA-polymerase and the regulatory proteins of each promoter. In addition, the results for the viral promoters have been compared with other theoretical results and experimental data. The presentation of our results takes place in the third chapter of the dissertation. Apart from the results that refer to the E.coli operons and the viral promoters, we also present calculations in simpler systems such as one dimensional chains of harmonic or Morse oscillators. Finally in the fourth chapter we present our conclusions.

La compréhension de la relation structure-propriété est un élément indispensable pour la conception et l'amélioration des matériaux, notamment ceux utilisés dans le domaine de l'emballage alimentaire. Afin de contribuer à la compréhension des phénomènes de transport dans le polylactide (PLA), les travaux de ce mémoire se sont portés sur la modulation de la microstructure du PLA en lien avec ses propriétés barrière aux gaz (oxygène, hélium) et aux composés organiques (esters éthyliques, sondes fluorescentes). La microstructure a été modulée i) par l'ajout de plastifiant (ATBC, PEG), ii) par la cristallisation selon trois procédés, le traitement thermique, la cristallisation induite par des composés organiques et le biétirage. Ces approches ont permis, respectivement, de faire varier le pourcentage de phase amorphe par rapport à la phase cristalline, la fraction de volume libre au sein de la phase amorphe, et la structure cristalline. L'augmentation de la cristallinité par recuit à partir du vitreux n'a pas conduit à une diminution systématique et importante des coefficients de transport des molécules de gaz (oxygène, hélium). Deux hypothèses principales ont ainsi été formulées pour expliquer ce comportement : la dédensification de la phase amorphe et la présence d'une phase amorphe mobile et d'une phase rigide. L'influence du biétirage sur les propriétés barrière aux gaz a été très limitée même au plus fort ratio d'étirage (4×4). Néanmoins cette technique a l'avantage de pouvoir réaliser des morphologies différentes.L'étude des coefficients de transport par plusieurs méthodes (sorption, perméation, diffusion par contact solide/solide) a mis en évidence la loi d'échelle ( ) dans le cas des molécules fluorescentes et a permis une première estimation du coefficient alpha. Une approche par Résonance Paramagnétique Electronique a permis de mettre en évidence des séparations de phase des systèmes plastifiés par ATBC et PEG. Cette méthode pourrait constituer un des moyens de sonder les hétérogénéités locales et les changements microstructuraux liés à l'interaction de molécules perméantes et de la matrice polymère, lors du transport. / The understanding of the relationship between structure and properties is fundamental for materials conception and improvement, in particular for those used in food packaging industry. To contribute to the understanding of the transport phenomena in polylactide (PLA), this study was focused on the adjustment of PLA microstructure modulation related to its gas (oxygen, helium) and organic compounds (ethyl esters, fluorescent molecules) barrier properties. The microstructure was modulated i) by adding plasticizers (ATBC, PEG), ii) by crystallizing according to 3 processes, thermal treatment, organic compounds induced crystallization and biaxially orientation. These approaches, respectively enabled to vary, the ratio of amorphous phase and crystalline phase, free volume fraction into amorphous phase and the crystalline structure. The increase in crystallinity degree, by annealing from cold state, did not result in a systematic and significant decrease of the gas molecules transport coefficient (oxygen, helium). Two main hypotheses were formulated to explain this behaviour: de-densification of amorphous phase and the presence of a mobile and a rigid amorphous phase. The influence of biaxially orientation on gas barrier properties was strongly limited even at the highest stretching ratio (4×4). Nevertheless several morphologies can be formed thanks to this technique.The transport coefficient study by several methods (sorption, permeation and diffusion by solid/solid contact) highlighted a scale law with the fluorescent molecules and allowed to a first estimation of the α coefficient. Thanks to Electronic Spin Resonance approach, phase separation of plasticized systems by ATBC and PEG were highlighted. This method could be one of the means to probe the local heterogeneities and the micro-structural changes related to the interaction of permeating molecules and polymer matrix during transport.

L’angiogenèse étant un processus limité dans des conditions physiologiques et un processus clé dans la croissance tumorale, elle est devenue une cible thérapeutique prometteuse. La neuropiline-1 (Np1) est un corécepteur du VEGF, qui est le facteur pro-angiogénique le mieux décrit jusqu’à présent. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation du ligand 47, une molécule active expérimentalement, en vue de l’amarrer dans la neuropiline-1. En raison de sa flexibilité conformationnelle, ce ligand pourrait en effet adopter une conformation étendue, comme la tuftsine, un ligand naturel de Np1, ou une conformation repliée. Une étape préliminaire essentielle, avant l'exploration de la complexation du lig-47 a Np1, est l'étude de sa flexibilité conformationnelle. Il est en effet impératif de s'assurer que les interactions intra-moleculaires (conformationnelles) dans le lig-47 sont calculées a une precision comparable a celles de ses interactions intermoléculaires avec Np1. Un écueil important tient au caractère conjugue du lig-47. Les quatre fragments constitutifs de cette molecule sont tous aromatiques ou conjugues, et sont tous connectes par des atomes insaturés. [...] Nous avons, dans une première étape, construit la molécule en quatre fragments : le benzimidazole, le méthylbenzène, le benzodioxane et le carboxythiourée (CTU). Nous avons approché ces quatre fragments par une molécule d’eau afin de calibrer les rayons de Van de Waals effectifs impliqués dans les contributions d’énergies électrostatique et de répulsion. L’anisotropie ayant été assurée, nous avons cherché à reproduire la conjugaison, par la calibration des barrières de torsion V0 primaires (n=1) et binaires (n=2). Nous obtenons des accords très satisfaisants entre les courbes conformationnelles obtenues avec SIBFA et celles obtenues par des calculs de chimie quantique (QC). Nous avons ensuite effectué des minimisations de l'énergie SIBFA en partant des minima des six courbes conformationnelles. Afin d'évaluer la transférabilité de la méthode, nous avons comparé les stabilités relatives de ces minima par des calculs QC ponctuels. Or les différences d'énergie séparant le minimum « global » des minima locaux se sont avérées sous-estimées par rapport aux calculs QC. Ces résultats nous ont amenés à envisager des façons différentes de représenter le fragment CTU. La possibilité la plus évidente consiste à le séparer en deux sous-fragments amide et thioamide. Les effets de la conjugaison et de la transférabilite des multipôles et polarisabilités sont ainsi perdus mais pourraient être compensés par la prise en compte explicite de l’énergie de polarisation des fragments amide et thioamide. Avec cette approche, la recalibration des rayons effectifs a permis de préserver des accords convenables avec les calculs quantiques pour l'approche des atomes du CTU par une molécule d'eau sonde. Les courbes conformationnelles reproduisent de près les courbes QC avec une recalibration minimale. Les minima de ces courbes ont été a nouveau minimisés en SIBFA, conduisant a des structures néanmoins très proches des minima correspondants de l'approche précédente avec un CTU construit d'un seul tenant. Mais à présent, les différences d'énergie séparant le minimum global des minima locaux sont très voisine de celles trouvées en QC. De plus, l'évolution des courbes conformationnelles en fonction de la structure considérée s'est avérée régie par l'énergie de polarisation. Par ailleurs, nous avons obtenu des résultats satisfaisants lors de l’amarrage de la tuftsine dans Np1. Ces résultats s'avèrent suffisamment probants pour permettre d'envisager à présent une étude détaillée des modes d'interaction du lig-47 avec Np-1. / Angiogenesis is a limited process in physiological conditions and a key process in tumor growth. Hence, it has become a promising therapeutic target. The neuropilin-1 (Np1) is a co-receptor for VEGF, which is today the best known pro-angiogenic factor. This manuscript deals with the molecular modelling of the ligand 47 (lig47), an experimentally active molecule, in order to dock it into Np1. Due to its conformational flexibility, this ligand could adopt and extended conformation such as tuftsin, a natural ligand, does in its complex with Np1, or a folded conformation. An essential preliminary step, before the exploration of the complexation of lig47 with Np1 is the study of its conformational flexibility. Indeed it must be ensured that the intramolecular (conformational) interactions are calculated with precision compared with the calculations of the interaction energies with Np1. An important issue comes from the polyconjugaison of the lig47. [...] We probed these four fragments with a water molecule in order to calibrate the effective Van der Waals radii implicated in electrostatic and repulsion contributions. Once the anisotropy was reproduced, we looked for reproducing the effect of the conjugaison on torsional barriers. We hence calibrated primary (n=1) and binary (n=2) barriers. We obtained very satisfactory agreements between the conformational curves obtained with SIBFA and those obtained with quantum chemistry (QC) calculations. Then we performed energy minimizations of SIBFA energy of the minima of the ix conformational curves. In order to evaluate the transferability of the method, we compared the relative stabilities of these minima with single-point QC calculations. But the differences of energy between the global minimum and local minima were underestimated in comparison with QC calculations. These results lead us to consider different ways of representing CTU. The more evident way consists in separating it in two fragments amide and thioamide. The effects of the conjugaison and the transferability of the multipoles and the polarisabilities are lost but could be compensated by the explicit consideration of the polarization energy between the amide and thioamide fragments. With this approach, the recalibration of the effective radii permitted to preserve good agreements with the QC calculations when probing the CTU by a water molecule. The conformational curves reproduce the QC curves after a minimal recalibration. The minima of these curves were then re-minimized with SIBFA, leading to structures close to those obtained with the first representation. But now, the differences of energy between the global minimum and the local minima are very close to those obtained in QC. Moreover, the evolution of the conformational curves as function of the number of the structure is ruled by the polarization energy. Otherwise, we obtained satisfactory results when we docked the tuftsin in Np1. These results will allow us to consider a detailed study of the interaction between lig47 et Np1.

L’alternane-saccharase (ASR) de Leuconostoc citreum NRRL B-1355 est une glucane-saccharase appartenant à la famille 70 des glycoside hydrolases (GH70). Cette α-transglucosylase utilise le saccharose, substrat peu coûteux et abondant, pour catalyser la formation d’un polymère d’α-glucane composé de liaisons osidiques α-1,6 et α-1,3 alternées dans la chaîne principale et appelé alternane. Avec une température optimale de 45°C, l’ASR est parmi les glucane-saccharases les plus stables. Afin d’avoir une meilleure compréhension des déterminants de la spécificité de liaison, de la polymérisation et de la plus haute stabilité de l’ASR, nous avons résolu la structure de cette enzyme. Notre étude par mutagénèse dirigée combinée à du docking moléculaire suggère que la spécificité de liaison est contrôlée par le positionnement de l’accepteur dans l’un ou l’autre des sous-sites +2 ou +2’. Des complexes de l’ASR avec différents ligands ont également mis en évidence un site signature de l’enzyme. Ce site est impliqué dans la formation du polymère d’alternane et pourrait servir de pont facilitant l’élongation processive de l’alternane. Enfin, nos travaux préliminaires indiquent que le domaine C pourrait être impliqué dans la stabilité de ces enzymes. Nos résultats ouvrent des nouvelles pistes d’investigation concernant l’étude des relations structure-fonction des glucane-saccharases et la conception de polymères de structure et propriétés physico-chimiques contrôlées. / The alternansucrase (ASR) from Leuconostoc citreum NRRL B-1355 is a glucansucrase belonging to the family 70 of glycoside hydrolases (GH70). This α-transglucosylase uses a cheap and abundant molecule, sucrose, to catalyze the formation of a unique α-glucan polymer made of alternating α-1,6 and α-1,3 linkages in the main chain, called alternan. With a 45°C optimum temperature, ASR is among the most stable glucansucrases to date. To get a deeper insight in ASR determinants involved in linkage specificity, polymerization and stability, we have solved the unliganded 3D structure of this enzyme at 2.8 Å. Coupled to mutagenesis and molecular docking, our results suggest the alternance to be governed by the acceptor positioning in either +2 or +2’ subsite, and the key contributions of Trp675 or Asp772 residue, respectively. Complexes of ASR with various sugar ligands were also obtained and highlighted a site never identified in any other GH70 enzymes. This site is uniquely found in alternansucrase and could act as a bridge between the domain V and the active site facilitating alternan processive elongation. Finally, the construction and characterization of chimera enzymes suggested domain C to be involved in enzyme stability. Overall, our results improved our knowledge on the structure-function relationship of ASR and open new paths for the conception of polymers with controlled structures and physicochemical properties