Résumé : La signalisation biaisée représente la capacité des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) d'engager des voies de signalisation distinctes avec des efficacités variables selon le ligand utilisé ou la mutation dans le récepteur. Un meilleur contrôle des voies activées ou inhibées par des médicaments pourrait permettre de réduire leurs effets indésirables. Malheureusement, les mécanismes structuraux impliqués dans la transmission du signal à travers la membrane plasmique par l'entremise des RCPG sont peu connus, ce qui limite le développement rationnel de nouvelles molécules ciblant des voies de signalisation particulières. Le récepteur de type 1 à l'angiotensine II (AT[indice inférieur 1]), un RCPG de classe A prototypique, peut activer différents effecteurs suite à sa stimulation par le ligand endogène angiotensine II (AngII), incluant la protéine G[indice inférieur q/11] et les β-arrestines. Il est suggéré que l'activation de ces deux voies de signalisation peut être associée à des conformations différentes du récepteur AT[indice inférieur 1]. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons utilisé des simulations de dynamique moléculaire afin d'explorer les interactions et les mouvements qui définissent le paysage conformationnel du récepteur AT[indice inférieur 1]. De plus, nous avons vérifié comment était modifié le paysage conformationnel par des mutations (N111G, N111W et D74N) et des ligands (AngII et [Sar[indice supérieur 1], Ile[indice supérieur 8]]AngII) ayant des profils signalétiques différents pour la voie de la protéine G[indice inférieur q/11] et la voie des β-arrestines. Les résultats obtenus nous éclairent sur le rôle d'un réseau de ponts hydrogène entre des résidus polaires conservés au coeur du récepteur dont font partie les résidus N111[indice supérieur 3.35] et D74[indice supérieur 2.50]. Les résultats révèlent la présence d'un groupe de résidus hydrophobes juste au-dessus du réseau de ponts hydrogène et adjacent à la pochette de liaison du récepteur qui semble important pour la stabilisation de l'état inactif du récepteur ainsi que pour son activation par un ligand. Dans l'ensemble, les résultats suggèrent que l'activation de la voie de la protéine G[indice inférieur q/11] est associée avec une transition conformationnelle spécifique stabilisée par l'agoniste alors que l'activation de la voie des β-arrestines est associée à une stabilisation de l'état de repos du récepteur. / Abstract: Biased signaling represents the ability of G protein-coupled receptors to engage distinct pathways with various efficacies depending on the ligand used or on mutations in the receptor. Having better control over the signaling pathways activated or inhibited by drugs could lead to fewer undesirable effects. Unfortunately, the structural mechanisms involved in the transmission of signal across the cell membrane through the receptors are poorly understood, which limits the rational development of new molecules targetting specific signaling pathways. The angiotensin-II type 1 (AT[subscript 1]) receptor, a prototypical class A G protein-coupled receptor, can activate various effectors upon stimulation with the endogenous ligand angiotensin-II (AngII), including the G[subscript q/11] protein and β-arrestins. It is believed that the activation of those two pathways can be associated with distinct conformations of the AT[subscript 1] receptor. To verify this hypothesis, microseconds of molecular dynamics simulations were computed to explore interactions and movements that define the conformational landscape of the AT[subscript 1] receptor. We have also verified how this conformational landscape is modified by mutations (N111G, N111W, D74N) and ligands (AngII, [Sar[superscript 1]Ile[superscript 8]]AngII) that have different signaling properties on the G[subscript q/11] pathway and the β-arrestin pathway. The results provide a better understanding of the role of a hydrogen bond network formed of conserved polar residues in the receptor core which include residues N111[superscript 3.35] and D74[superscript 2.50]. The results also reveal the existence of a cluster of hydrophobic residues located right above the hydrogen bonds network and adjacent to the binding pocket that appears important for the stabilization of the ground state of the receptor as well as its ligand-induced activation. As a whole, the results suggest that activation of the G[supbscript q/11] pathway is associated with a specific conformational transition stabilized by the agonist, whereas the activation of the β-arrestin pathway is linked to the stabilization of the ground state of the receptor.

Les toxines de l’anthrax font partie de la famille des toxines A-B dans laquelle la moitié B se fixe à la membrane de la cellule permettant par la suite la translocation de la moitié A. Dans le cas de l’anthrax, la moitié B est représentée par le Protective Antigen (PA) et la moitié A par les deux protéines Edema Factor (EF) et Lethal Factor (LF). Après le recrutement par les récepteurs cellulaires (CMG2 et TEM8), PA s’organise en heptamère. Il peut fixer jusqu'à 3 ligands (EF et LF) avant d'être endocyté. Les modèles actuels de PA suggèrent que la baisse de pH à l’intérieur des endosomes permet un changement de conformation de la forme pré-pore vers la forme pore et que les ligands EF et LF passeraient au travers le pore pour entrer dans le cytoplasme. Cependant, le diamètre du pore est environ dix fois inférieur à celui des ligands (10 Å contre 100 Å). Un processus de folding/unfolding a été proposé mais demeure controversé. Afin d'identifier le processus de passage des facteurs EF et LF dans le cytoplasme, nous avons déterminé par cryo-microscopie électronique combinée avec l’analyse d’image les structures tridimensionnelles des complexes formés par PA et LF aux étapes prépore et pore. Par la suite, une étude complémentaire par dynamique moléculaire nous a permis de modéliser à haute résolution les différentes interactions qui ont lieu au sein du complexe. La structure 3D du complexe prépore combiné à 3 LF a été déterminée à une résolution de 14 Å. Nous avons aussi calculé une structure préliminaire du complexe pore également combiné à 3 LF Celles-ci n’ont jamais été résolues auparavant et leur connaissance permet d’envisager l’étude en profondeur du mécanisme infectieux de l’Anthrax in vivo. / The anthrax toxins are part of the A-B toxin family in which the B moiety binds to the cell membrane allowing subsequent translocation of the A moiety. In the case of anthrax, the B moiety consists of the Protective Antigen (PA), and the A moiety is composed of the two proteins Edema Factor (EF) and the Lethal Factor (LF). After being recruited by the cell receptors (CGM2 or TEM8), PA organizes itself into a heptamer. It can bind up to three ligands (either EF or LF) before being endocytosed. Current models suggest that the decrease of pH inside the endosomes allows a conformational change of PA from a prepore form to a pore form that allows the EF and LF ligands to pass through the pore and enter the cytoplasm. However, the pore diameter is about ten times smaller than the diameter of the ligands (10Å versus 100Å). A process of ligand folding / unfolding has been proposed, but remains controversial. To identify the mechanism by which EF and LF enter the cytoplasm, we have used cryo-electron microscopy and three-dimensional image analysis to determine the 3D structure of the PA-LF complexes in the pre-pore and pore conformations. Then, we used molecular dynamics to modelise at high resolution the different interactions that occur within the complex. The 3D structure of the pre-pore complex bound with three LF ligands has been determined at 14Å resolution. We also calculated a preliminary structure of the LF-bound pore complex. These structures have never been reported before. They provide the necessary information to study in depth the mechanism of anthrax infection in vivo.

La flexibilité est une caractéristique intrinsèque des protéines qui doivent, dès le mo- ment de leur synthèse, passer d’un état de chaîne linéaire à un état de structure tridimen- sionnelle repliée et enzymatiquement active. Certaines protéines restent flexibles une fois repliées et subissent des changements de conformation de grande amplitude lors de leur cycle enzymatique. D’autres contiennent des segments si flexibles que leur structure ne peut être résolue par des méthodes expérimentales. Dans cette thèse, nous présentons notre application de méthodes in silico d’analyse de la flexibilité des protéines : • À l’aide des méthodes de dynamique moléculaire dirigée et d’échantillonnage pa- rapluie, nous avons caractérisé les trajectoires de liaison de l’inhibiteur Z-pro- prolinal à la protéine Prolyl oligopeptidase et identifié la trajectoire la plus pro- bable. Nos simulations ont aussi identifié un mode probable de recrutement des ligands utilisant une boucle flexible de 19 acides aminés à l’interface des deux domaines de la protéine. • En utilisant les méthodes de dynamique moléculaire traditionnelle et dirigée, nous avons examiné la stabilité de la protéine SAV1866 dans sa forme fermée insérée dans une membrane lipidique et étudié un des modes d’ouverture possibles par la séparation de ses domaines liant le nucléotide. • Nous avons adapté auproblème de la prédiction de la structure des longues boucles flexibles la méthode d’activation et de relaxation ART-nouveau précédemment uti- lisée dans l’étude du repliement et de l’agrégation de protéines. Appliqué au replie- ment de boucles de 8 à 20 acides aminés, la méthode démontre une dépendance quadratique du temps d’exécution sur la longueur des boucles, rendant possible l’étude de boucles encore plus longues. / Flexibility is an intrinsic characteristic of proteins who from the moment of synthesis into a linear chain of amino acids, have to adopt an enzymatically active tridimensionnel structure. Some proteins stay flexible once folded and display large amplitude confor- mational changes during their enzymatic cycles. Others contain parts that are so flexible that their structure can’t be resolved using experimental methods. In this thesis, we present our application of in silico methods to the study of protein flexibility. • Using steered molecular dynamics and umbrella sampling, we characterized the binding trajectories of the Z-pro-prolinal inhibiter to the Prolyl oligopeptidase pro- tein and we identified the most probable trajectory. Our simulations also found a possible ligand recrutement mechanism that involves a 19 amino acids flexible loop at the interface of the two domains of the protein. • Using traditional and steered molecular dynamics, we examined the stability of the SAV1866 protein in its closed conformation in a lipid membrane and we studied one of its proposed opening modes by separating its nucleotide binding domains. • We also adapted the activation-relaxation technique ART-nouveau which was pre- viously used to study protein folding and aggregation to the problem of structure prediction of large flexible loops. When tested on loops of 8 to 20 amino acids, the method demonstrate a quadratic execution time dependance on the loop length, which makes it possible to use the method on even larger loops.

La quercétine (QCT) est un composé polyphénolique d'origine végétale connu pour ses activités antioxydantes et ses effets bénéfiques sur la santé. Sa solubilité, sa stabilité, sa biodisponibilité et ses activités biologiques peuvent être améliorées par une acylation sélective de ses groupements hydroxylés. Ce travail vise à étudier la possibilité d'une acétylation enzymatique de la QCT par la lipase B de Candida antarctica (CALB), la lipase la plus exploitée industriellement pour des estérifications régio- et énantiosélectives. Dans une perspective d'ingénierie rationnelle de l'enzyme, une démarche de modélisation moléculaire est mise en oeuvre pour mieux comprendre les interactions qui régissent le positionnement et l'orientation du substrat dans le site actif de la lipase. Dans une première partie expérimentale, l'absence d'activité d'acétylation de la CALB envers la QCT, en présence d'un excès d'acétate de vinyle, a été confirmé. Dans une seconde partie, cette inactivité de la CALB a été expliquée à l'aide de simulations de docking et de dynamique moléculaire. Elle résulte d'une orientation inappropriée du donneur d'acyle liée à la sérine catalytique et d'une proximité insuffisante des hydroxyles de la QCT vis-à-vis des résidus catalytiques. L'éloignement de la QCT de la triade catalytique est due à la rigidité de la molécule, l'étroitesse du site actif ainsi qu'à des interactions hydrophobes et électrostatiques entre le substrat et les résidus de la cavité. En revanche, cette approche de simulation moléculaire prédit un bon positionnement des deux substrats dans le site actif de la lipase de Pseudomonas cepacia (PCL), laquelle est capable d'acétyler la QCT. Dans une troisième partie, l'influence de mutations de deux résidus impliqués dans les liaisons de stabilisation hydrophobe de la QCT dans la CALB a été investiguée par simulation. La substitution d'isoleucines par des valines et des alanines conduit à une augmentation du volume de la poche catalytique et une mobilité accrue de la QCT. Mais ces mutations sont insuffisantes pour permettre un positionnement adéquat de l'acétate et de la QCT par rapport à la triade catalytique. La dernière partie focalise sur les interactions électrostatiques entre la QCT et le site actif de CALB. Les orientations du substrat dans la cavité suite à une méthylation ou une acétylation des groupements hydroxyles de la QCT sont précisées / Quercetin (QCT) is a plant-produced polyphenolic compound well-known for its antioxidant activities and beneficial health effects. Its solubility, stability, bioavailability and biological activities may be improved by a selective acylation of its hydroxyl groups. This work aims at studying the possibility of QCT enzymatic acetylation by Candida antarctica lipase B (CALB), the most industrially exploited lipase for regio- and enantioselective esterifications. In prospect of the rational enzyme design, a molecular modeling approach was implemented to understand the interactions that govern the substrate positioning and orientation in the lipase's active site. In a first experimental part, the absence of CALB acetylation activity towards quercetin in excess of vinyl acetate was confirmed. In a second part, this inactivity of CALB was explained by means of docking and molecular dynamics simulations. This results from an inappropriate positioning of the acyl donor linked to the catalytic serine and from an insufficient proximity of QCT hydroxyls vis-à-vis catalytic residues. The distance of QCT from the catalytic triad is due to its rigidity and to the narrow active site as well as to hydrophobic and electrostatic interactions between the substrate and the cavity residues. On the contrary, this molecular simulation approach predicts an appropriate positioning of both substrates in the active site of Pseudomonas cepacia lipase (PCL), which can perform QCT acetylation. In a third part, the impact of mutations of two residues implicated in the stabilization of QCT by hydrophobic interactions in CALB was investigated through simulations. The substitution of isoleucines by alanines and valines led to an increase in the catalytic pocket volume which intensified the mobility of QCT. However, these mutations are insufficient to allow an appropriate positioning of acetate and QCT in relation to the catalytic triad. The last part of this work focuses on the electrostatic interactions between QCT and CALB's active site. The substrate orientation in the cavity following methylation or acetylation of QCT's hydroxyl groups was clarified

Les propriétés mécaniques des polymères et des copolymères à blocs ont été étudiées par simulation de type dynamique moléculaire (modèle billes-ressorts). Les échantillons polymères ont été générés par la méthode de « radical like polymerisation ». Ces échantillons ont été soumis à des essais de traction uniaxiaux et triaxiaux dans le but d’étudier leurs réponses mécaniques. Dans la première partie de ce travail on a comparé deux méthodes de traction : « méthode de traction homogène» et la traction « pilotée par les bords » de l’échantillon. Les résultats montrent que les deux méthodes sont équivalentes à faible vitesse de traction. Le changement de distance entre enchevêtrement dans un polymère modèle sous traction est analysé, les résultats montrent que le désenchevêtrèrent des chaines est plus prononcé lorsque la déformation de l’échantillon est uniaxiale du fait de la relaxation latérale de l’échantillon. La nucléation des cavités dans les polymères amorphes soumis à une déformation triaxial a été également étudiée. On a trouvé que les cavités se forment dans des zones qui sont caractérisées par un faible module d’incompressibilité élastique. Ces zones sont identifiables dès le début de la déformation à une température très basse (T~0K). La seconde partie de ce travail se concentre sur la simulation de la réponse mécanique des copolymères à blocs. L’influence de l’architecture moléculaire sur le comportement mécanique de l’échantillon a été analysée. Les résultats montrent que le comportement mécanique des échantillons est piloté par le taux des chaines liantes qui assurent la transmission des contraintes entre les phases. Le flambement des lamelles dans les copolymères à blocs a été également étudié, l’influence de la taille de l’échantillon et de la vitesse de déformation sur la réponse mécanique de l’échantillon a été explorée. Les résultats montrent un changement de mode du flambement selon la vitesse de déformation imposée. Un nouveau modèle qui prend en compte le facteur cinétique du flambement est proposé pour décrire la compétition entre les modes. / We use molecular dynamics simulation of a coarse grained model to investigate the mechanical properties of homogenous polymers and lamellar block copolymers. Polymer samples have been generated using “radical like polymerisation” method. These samples were submitted to uniaxial and triaxial tensile tests in order to study their mechanical responses. First we compare two tensile test methods: the “homogenous deformation method” and the “boundary driven deformation method”. We find that the two methods lead to similar results at low strain rate. The change of the entanglement network in polymer sample undergoing a tensile deformation was investigated. We have found that the sample exhibits an increase of its entanglement length in uniaxial deformation test compared to triaxial deformation one. Our finding was interpreted by the pronounced chain disentanglement observed in the uniaxial deformation test due to the lateral relaxation of the sample. The cavity nucleation in amorphous polymers has been also studied. We have found that the cavities nucleate preferentially in zones that exhibit a low elastic bulk modulus. These zones can be identified from the initial undeformed state of the sample at low temperature (T~0K). The second part of the work focused in the simulation of the mechanical response of block copolymers. The influence of chain architecture on the mechanical properties was investigated: our finding reveals an important role of the bridging molecules (cilia chains and knotted loop chains) on the stress transmission between phases at high strain. The initiation of plasticity in copolymer samples was also studied. The role of the buckling has been found to be determinant in the mechanical response of the sample The dependence of the buckling instability with the sample size and the deformation rate was investigated. We have found that the fundamental (first) mode of buckling develops at relatively low strain rate whereas at high strain rate the buckling of the sample occurs with the second or higher mode of buckling. A new model that takes into account the buckling kinetic was developed to describe this competition between the buckling modes.

Ce travail concerne l'étude de monocouches auto-assemblées (SAMs) sur l'or par simulation moléculaire. Des SAMs électroactives formées de chaines ferrocenylalcanethiols et alcanethiols et des SAMs constituées de β-cyclodextrines immobilisées sur des surfaces pouvant donner lieu à la formation de complexes d'inclusion à l'interface ont été étudiées. L'objectif était d'obtenir des grandeurs macroscopiques qui soient directement comparables aux grandeurs expérimentales. Pour cela, des simulations de dynamique moléculaire ont été couplées à des calculs de perturbation thermodynamique afin d'obtenir des grandeurs rédox et des propriétés thermodynamiques d'association. La reproduction de grandeurs expérimentales a dans un premier temps permis de valider les méthodologies de simulation et les champs de forces utilisés. Ceci a ensuite conduit à envisager la simulation moléculaire comme une technique prédictive pour l'étude de nouveaux systèmes. Les grandeurs macroscopiques obtenues ont pu être interprétées grâce à une caractérisation structurale et énergétique des processus mis en jeu. / This work concerns the study of self-assembled monolayers (SAMs) on gold surfaces by molecular simulation. Electroactive SAMs formed by both ferrocenylalkanethiol and alkanethiol chains and SAMs of immobilized β-cyclodextrins that can form inclusion complexes at the interface were investigated. The objective of this study was to use molecular simulation to reproduce macroscopic properties that can be directly compared with experimental results. Molecular dynamics simulations are coupled to perturbation methods in order to calculate redox properties and thermodynamic properties of association. The comparison with experimental data allows us to validate simulation methodologies and forcefields and to consider simulation as a predictive tool for the study of new systems. Molecular dynamic also provides a rationalization of the macroscopic properties at the atomic level by a structural and energetic analysis of the processes involved in the reactions.

Les propriétés physiques et thermodynamiques des métaux liquides dépendent de la structure électronique. La structure ionique est décrite soit par la fonction de corrélation de paires dans l'espace réel ou par le facteur de structure dans l'espace réciproque. Celui-ci est directement accessible par diffraction de neutrons ou de rayons X. Le formalisme du pseudopotentiel nous permet de construire le potentiel effectif interionique, ce dernier est utilisé dans la simulation par dynamique moléculaire pour étudier les propriétés statiques comme la structure atomique et les propriétés dynamiques comme la diffusion et la viscosité. Les calculs ont été faits pour l'étain liquide, pour les métaux nobles ainsi que pour leurs alliages constituant les soudures sans plomb. Nous décrivons dans le premier chapitre les différentes propriétés des métaux liquides. Dans le chapitre II, nous présentons le formalisme du pseudopotentiel et la méthode de simulation par dynamique moléculaire. Dans le chapitre III, nous testons d'abord différents pseudopotentiels sur l'étain liquide et nous prouvons que le pseudopotentiel de Shaw local est le seul qui décrit d'une manière correcte la structure atomique. On utilise ensuite ce potentiel pour déterminer le coefficient de diffusion à partir de la fonction d'autocorrélation de vitesse et de sa transformée de Fourier: la densité spectrale. La viscosité de cisaillement est enfin calculée, pour la première fois à notre connaissance, pour l'étain liquide en utilisant la formule de Green-Kubo par intégration de la fonction d'autocorrélation des contraintes. Il est aussi particulièrement difficile de décrire correctement les métaux nobles avec la théorie des pseudopotentiels. En effet leur densité d'états est influencée par leur bande d. Pour surmonter cette difficulté, nous associons le concept de valence effective au potentiel de Shaw local. Les facteurs de structure calculés en fonction de la température sont en très bon accord avec les valeurs expérimentales. L'adéquation du choix du pseudopotentiel est confirmée par les résultats des coefficients de diffusion et de viscosités de cisaillement. Les propriétés des métaux purs et des alliages (soudures sans plomb) calculées en fonction de la température sont en bon accord avec les valeurs expérimentales, prouvant que le pseudopotentiel est transférable aux alliages. Cela confirme notre choix initial du pseudopotentiel local de Shaw et l'introduction du concept de valence effective. Une bonne connaissance de la diffusion et de la viscosité est très importante d'un point de vue industriel pour comprendre les problèmes technologiques liés au mouillage des substrats par les soudures et à la formation d'intermétalliques entre les soudures et le substrat / The physical and thermodynamical properties of liquid metals depend on the electronic structure. The ionic structure is described either by the pair correlation function in real space or by the structure factor in reciprocal space which is directly accessible by neutrons or X rays diffraction measurements. Pseudopotential formalism allows us to construct an ionic effective potential. It is used in Molecular Dynamics simulation to study the static properties like the atomic structure and the dynamic ones like diffusion and viscosity. These calculations have been done for liquid tin, for noble metals and for theirs alloys forming lead-free solders. We first describe in chapter I the different properties of liquid metals. In chapter II we present the pseudopotential formalism and the Molecular Dynamics method. In chapter III we first test different pseudopotentials on liquid tin and we prove that the Shaw local model potential is the only one able to describe adequately the atomic structure. Then we used it to determine the diffusion coefficient from the velocity autocorrelation function and from its Fourier transform: the spectral density. Finally, we calculated, for the first time to our knowledge, the shear viscosity of liquid tin with Green-Kubo formula by integrating the stress autocorrelation function. It is also particularly difficult to describe correctly liquid noble metals with pseudopotentials since their density of states is influenced by their d band. To overcome this difficulty we associate the concept of effective valence (determined theoretically) to the Shaw local potential. The calculated structure factors as function of temperature are in a very good agreement with the experimental ones. The adequacy of the choice of our pseudopotential is confirmed by the results of diffusion coefficients and shear viscosities. The properties of pure metals and alloys (lead free solders) as function of temperature are in good agreement with experimental values proving that the Shaw local pseudopotential is transferable to alloys. This confirms our initial choice of pseudopotential and effective valence. Having a good knowledge of diffusion and viscosity is very important from an industrial point of view. Indeed, we need understanding technological problems linked to the wetting of a solder on a substrate and to the formation of intermetallics between the solder and the substrate

Même si le docking protéine-protéine devient un outil incontournable pour répondre aux problématiques biologiques actuelles, il reste cependant deux difficultés inhérentes aux methodes actuelles: 1) la majorité de ces méthodes ne considère pas les possibles déformations internes des protéines durant leur association. 2) Il n'est pas toujours simple de traduire les informations issues de la littérature ou d'expérimentations en contraintes intégrables aux programmes de docking. Nous avons donc tenté de développer une approche permettant d'améliorer les programmes de docking existants. Pour cela nous nous sommes inspirés des méthodologies mises en place sur des cas concrets traités durant cette thèse. D'abord, à travers la création du complexe ERBIN PDZ/Smad3 MH2, nous avons pu tester l'utilité de la Dynamique Moléculaire en Solvant Explicite (DMSE) pour mettre en évidence des résidus importants pour l'interaction. Puis, nous avons étendu cette recherche en utilisant divers serveurs de docking puis la DMSE pour cibler un résultat consensus. Enfin, nous avons essayé le raffinage par DMSE sur une cible du challenge CAPRI et comparé les résultats avec des simulations courtes de Monte-Carlo. La dernière partie de cette thèse portait sur le développement d'un nouvel outil de visualisation de la surface moléculaire. Ce programme, nommé MetaMol, permet de visualiser un nouveau type de surface moléculaire: la Skin Surface Moléculaire. La distribution des calculs à la fois sur le processeur de l'ordinateur (CPU) et sur ceux de la carte graphique (GPU) entraine une diminution des temps de calcul autorisant la visualisation, en temps réel, des déformations de la surface moléculaire. / Protein-protein docking has become an extremely important challenge in biology, however, there remain two inherent difficulties: 1) most docking methods do not consider possible internal deformations of the proteins during their association; 2) it is not always easy to translate information from the literature or from experiments into constraints suitable for use in protein docking algorithms. Following these conclusions, we have developed an approach to improve existing docking programs. Firstly, through modelling the ERBIN PDZ / Smad3 MH2 complex, we have tested the utility of Molecular Dynamics with Explicit Solvent (MDSE) for elucidating the key residues in an interaction. We then extended this research by using several docking servers and the DMSE simulations to obtain a consensus result. Finally, we have explored the use of DMSE refinement on one of the targets from the CAPRI experiment and we have compared those results with those from short Monte-Carlo simulations. Another aspect of this thesis concerns the development of a novel molecular surface visualisation tool. This program, named MetaMol, allows the visualisation of a new type of molecular surface: the Molecular Skin Surface. Distributing the surface calculation between a computer's central processing unit (CPU) and its graphics card (GPU) allows deformations of the molecular surface to be calculated and visualised in real time.

Les alliages intermétalliques riches en fer du système fer-aluminium, Fe3Al, ont des caractéristiques très intéressantes pour des applications mécaniques à haute température. Ils possèdent, comme la plupart des composés intermétalliques, une résistance mécanique élevée, une bonne résistance à l'oxydation ainsi qu'une faible densité. Cependant, les principales raisons qui limitent leurs applications sont leur fragilité à température ambiante et une forte diminution de leur résistance pour des températures supérieures à 550° C. Un aspect intéressant de ces alliages est leur comportement envers les métaux de transition. Certains éléments, comme TI, peuvent augmenter la stabilité de la phase D03, en augmentant la transition D03/B2 vers des températures plus élevées. La situation est moins claire dans le cas du Zr. En effet, malgré l'effet bénéfique du dopage en Zr sur la cohésion des joints de grains et la ductilité, il n'existe pas de données expérimentales concernant son effet sur la stabilité de la structure D03 du composé Fe3Al. Ce travail de thèse vise à étudier l'effet de ces deux métaux de transitions Ti et Zr sur les propriétés du composé intermétallique D03-Fe3Al en utilisant des calculs pseudopotentiels ab initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Deux principaux thèmes ont été abordés : (i) la compréhension du rôle de ces deux métaux de transition en termes de stabilité de la phase D03 à la lumière de leur site préférentiel dans la structure D03-Fe3Al ; (ii) le comportement du Ti et Zr dans le joint de grains [sigma]5 (310)[001] ainsi que leur effet sur la stabilité structurale de cette interface. Un élément important pour étudier ces aspects est de prendre en compte l'effet de la température. Cela nécessite un traitement de type dynamique moléculaire des atomes dans la supercellule. La technique dynamique moléculaire ab initio (AIMD) résout ces problèmes en combinant des calculs de structure électronique avec la dynamique à une température finie. Ainsi, notre étude a été menée à la fois en utilisant des calculs ab initio statiques à 0K ainsi que la prise en compte de l'effet de la température jusqu'à 1100K (Dynamique Moléculaire Ab Initio) / Fe3Al-based intermetallic compounds are promising materials for structural applications at high temperature. Their advantageous properties originate from their low density and their high corrosion resistance in oxidizing and sulfidizing environments. However, because of their limited room temperature ductility and their low strength and creep resistance at higher temperatures (~ 550 °C), it is necessary to improve their properties to adapt them for structural applications. An interesting aspect of these alloys is their behaviour towards transition metal impurities. Some elements like Ti increase the stability of the D03 by increasing the D03/B2 transition towards higher temperature. The situation is less clear for Zr addition, indeed, despite the beneficial effect of small Zr addition on the grain boundary cohesion and ductility ; there is no experimental data available concerning its effects on the stability of the D03-Fe3Al compounds. In this thesis the effect of Ti and Zr transition metals on the D03-Fe3Al intermetallic compounds has been investigated by means of ab initio Pseudopotentials numerical simulations based on Density Functional Theory. Two main issues will be addressed : (i) the understanding of the rôle of these two transition metals in terms of stability of the bulk at the light of their site preference in the D03-Fe3Al structure ; (ii)the behaviour of Ti and Zr transition metals in the [sigma]5 (310) [001] grain boundary and their effect on the structural stability of this interface. An important issue when studying these aspects is to take into accounts the effect of temperature. This requires a molecular dynamics treatment of the atoms in the supercell. The technique known as ab initio molecular dynamics (AIMD) solves these problems by combining on the fly electronic structure calculations with finite temperature dynamics. Thus, our study was conducted both using the conventional static ab initio calculations (0K) as well as by taking into account the effect of temperature (ab initio molecular dynamics)

A l'échelle macroscopique, la mécanique des milieux continus (MMC) rencontre parfois des difficultés à représenter correctement le comportement d'un système physique, du fait d'une modélisation insuffisante des phénomènes. Ces faiblesses sont particulièrement marquées dans les systèmes où les interfaces, qui font apparaître des échelles d'espace très différentes, jouent un rôle prépondérant : microfluidique, écoulements polyphasiques etc.. Or, dans de nombreux domaines, et notamment dans le milieu pétrolier, les modèles macroscopiques existants semblent insuffisants pour pouvoir traiter correctement les cas proposés. Par ailleurs, la méconnaissance des paramètres d’entrée d'une simulation macroscopique tels que les propriétés de transport, introduit parfois une mauvaise représentation de l’ensemble des processus diffusifs. La simulation à l'échelle microscopique, en l'occurrence la dynamique moléculaire classique (DM), peut pallier certains problèmes rencontrés par les approches macroscopiques, en permettant de mieux appréhender les divers processus physiques, notamment aux interfaces. Elle permet également de suppléer l’expérimentation, en permettant de calculer pour un fluide modèle les propriétés physiques du mélange étudié. Ainsi, à partir des ces données générées, il est possible de construire des corrélations palliant aux différents manques. Néanmoins, de par son caractère microscopique, cette approche ne permet de simuler que des échelles sub-micrométriques qui sont bien éloignées de la taille indispensable à la plupart des cas réalistes, qu’ils soient académiques ou industriels. En couplant les deux démarches, macroscopique et microscopique, de manière directe ou indirecte, il est donc envisageable d’accéder à des informations que l’une ou l’autre des ces approches ne peut fournir seule. / Hybrid atomistic-continuum methods allow the simulation of complex flows, depending on the intimate connection of many spatiotemporal scales : from the nanoscale to the microscale and beyond. By limiting the molecular description within a small localized region, for example near fluid/fluid or fluid/solid interfaces (breakdown of the continuum), these methods are useful to study large systems for reasonable times. Besides, there is a wide variety of applications for such hybrid methods, ranging from the micro- or nano-scale devices, and other industrial processes such as wetting, droplet formation, and biomolecules near interfaces. In this work, we present one scheme for coupling the Navier-Stokes set of equations with Molecular Dynamics. Among the existing alternatives to couple these two approaches, we have chosen to implement a domain decomposition algorithm based on the alternating Schwarz method. In this method, the flow domain is decomposed into two overlapping regions : an atomistic region described by molecular dynamics and a continuum region described by a finite volume discretization of the incompressible Navier-Stokes equations. The fundamental assumption is that the atomistic and the continuum descriptions match in the overlapping region, where the exchange of information is performed. The information exchange, requires the imposition of velocity from one sub-domain in the form of boundary conditions (Dirichlet)/constraints on the solver of the other subdomain and vice versa. The spatial coupling as well as the temporal coupling of the two approaches has been investigated in this work. To show the feasibility of such a coupling, we have applied the multiscale method to a classical fluid mechanics problems.