Cette thèse développe, dans le cadre de la biophysique, des modèles théoriques centrés sur les interactions entre les bio-filaments, de longs polymères présents dans les cellules biologiques et les membranes biologiques, qui protègent les cellules de leur environnement. La thèse est divisée en trois parties, traitant différents systèmes. Dans un premier temps, un modèle admettant plusieurs états de courbure préférée des bio-filaments est développé. Ce type de filaments est forcé à former un anneau et leur interaction avec des membranes tubulaires qu'ils enlacent est discutée. Deuxièmement, les déformations de membranes biologiques modèles sous l'action de filaments appliquant des couples sont calculées, dans le régime linéaire. Finalement, la motilité de la bactérie Spiroplasma est abordée. Les résultats préliminaires d'un modèle élastique sont donnés. / This work focuses on the development of theoretical models in the framework of biophysics. In particular, it deals with the interactions between bio-filaments (long polymer chains found in biological cells) and biological membranes which protect cells from their environment. It is divided in three main parts, where different systems are studied. Firstly, a model going beyond the Worm-Like Chain model is developed to take into account different preferred states of curvature of the constituents of the bio-polymer chains. This kind of filaments are forced to close into a ring and their interactions with tubular membranes they entwine are discussed. Secondly, the deformations induced to biological membranes by torque-applying bio-filaments are discussed in the linear regime. Finally, the motility of the bacteria Spiroplasma. Preliminary results on an elastic model describing the cell motility are given.

Le transfert d'un analogue de lysine au travers de membranes de phospholipides a été étudié. Des simulations de dynamique moléculaire et des calculs d'énergie libre ont été conduits afin d'étudier l'évolution du pKa de cette molécule en fonction de sa position à l'intérieur de la membrane. Des grandeurs cinétiques telles que la perméabilité et les constantes de réaction associées au transfert ont montré que ce processus est susceptible de ce produire sur des échelles de temps appartenant à la ms. La comparaison de ces grandeurs dans des membranes constituées d'étherlipides et de lipides avec des chaînes branchées a été faite par la suite. Les études ont montré une diminution de la perméabilité et une augmentation du temps de passage dans des membranes faites d'étherlipides. L'ajout de méthyles le long des chaînes carbonées augmentent également le temps de passage et la perméabilité mais de manière moins importante. Cependant, le pKa indique que la forme chargée ne peut être retrouvée aussi profondément que dans une membrane constituée de chaînes linéaires. Finalement, le transfert du peptide a été étudié en estimant des surfaces d'énergie libre multidimensionnelles. La coordination de l'amine avec les molécules d'eau dans sa première sphère d'hydratation et la projection de la distance par rapport au centre de la membrane a été étudié. De nouvelles possibilités pour le changement d'état de protonation du peptide sont apparues. Contrairement au cas 1D, la forme neutre peut apparaître déjà dans la région des têtes polaires pour une certaine valeur de la coordination. Ces valeurs, inférieures à celles du milieux aqueux, peuvent être atteintes à l'interface d'après les surfaces déterminées / The transfer of a lysine amino acid analog across phospholipid membrane models was investigated using molecular dynamics simulations. The evolution of the protonation state of this small peptide as a function of its position inside the membrane was studied by determining the local pKa by means of free energy calculations. Permeability and mean first time passage were evaluated and showed that the transferoccurs on the sub-ms time scale. Comparative studies were conducted to evaluate the changes in the local pKa arising from the differences in the phospholipid chemical structure. We compared hence the effect of the ether vs ester linkage of the lipid head group as well as the linear vs branched lipid tails. The study reveals that protonated lysine residues can be buried further inside ether lipid membrane than ester lipid membrane while branched lipids are found to stabilize less the charged form compared to their un-branched lipid chain counterparts. As a result, the permeability and the transfer rate across a membrane constituted by ether lipid was found to slower than in membranes constituted by esterified lipids. Finally, multidimensionnal free-energy surfaces for the transfer of the peptide in its both states, charged and neutral, were estimated. The coordination of the amine with the water molecules in its first hydration shell with the projection of the distance from the center of the membrane were used as reaction coordinates. New possibilities for the deprotonation reaction were found, the latter appearing closer to the headgroup region. This finding suggests that if the lysine analog were less coordinated by water molecule a deprotonation is possible in the headgroup region

Dans les pays industrialisés, une alimentation riche en lipides et en sucres et le manque d'exercice sont responsables d'une épidémie d'obésité, d'insulino-résistance (IR) et de stéatose hépatique non-alcoolique (NAFLD). L'alimentation apporte différents types de lipides, et non seulement la quantité mais également la qualité des lipides alimentaires module le métabolisme lipidique et joue un rôle important dans le développement de ces pathologies. La nature des acides gras (AG) ingérés peut également influencer la composition des membranes biologiques, et ainsi leurs fonctions comme la fluidité membranaire, la signalisation cellulaire, la translocation des protéines vers la membrane ou à travers la membrane, et des activités enzymatiques variées. Le fonctionnement de la cellule toute entière dépend donc de la composition membranaire en lipides. Par ailleurs, certains microconstituants alimentaires, tels les polyphénols, pourraient moduler le métabolisme lipidique, prévenant ainsi la NAFLD et l'IR.L'objectif de ce travail de thèse est d'explorer, en même temps, l'impact potentiellement protecteur des polyphénols lors d'une surcharge en graisses et en saccharose d'un côté et l'effet de différents profils lipidiques nutritionnels d'un autre sur la composition en acides gras et les taux des différents lipides complexes (triglycérides (TG) tissulaires et phospholipides (PL) membranaires) et sur le métabolisme lipidique en s'intéressant au tissu tout entier et à la mitochondrie en particulier ; puisque de plus en plus d'arguments expérimentaux et cliniques suggèrent qu'un déficit de la chaîne respiratoire mitochondriale joue un rôle physiopathologique important dans la NAFLD et l'IR. Ainsi, ce travail de thèse nous a permis de montrer qu'une supplémentation en polyphénols à dose nutritionnelle modulerait différemment le métabolisme lipidique au niveau des tissus, (1) en activant l'oxydation des AG et prévenant l'accumulation des TG intra-hépatiques et la stéatose au niveau du foie ; et (2) en modulant la composition membranaire en AG des cellules musculaires ainsi que l'expression de certains transporteurs prévenant ainsi l'accumulation cytosolique des lipides et améliorant le transport du glucose ce qui préviendrait une IR au niveau du muscle. De plus, nous avons pu montrer que la qualité et la quantité des AG apportés par l'alimentation affecteraient de façon significative la composition en acide gras de l'ensemble des PL membranaires de la mitochondrie du foie, particulièrement le cardiolipide; altérant ainsi la fonction de la mitochondrie et le métabolisme lipidique au niveau du foie, ce qui pourrait jouer un rôle dans le développement de la NAFLD. / High fat and high sugar diets and lack of physical activity are believed to contribute to the increasing rates of obesity in wealthy societies. This trend is associated with a parallel increase in the prevalence of insulin resistance (IR) and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). Diets contains different types of lipids, and not only the quantity but also the quality of dietary lipids modulates lipid metabolism and are involved in these nutritional associated pathologies. Moreover, the quality of dietary lipids influences the biological membrane composition and thus their functions. So, membrane fluidity, cellular signalisation pathways, protein translocation into and across the membrane and many enzymatic activities, which are crucial for cell functions, are influenced by membrane lipid composition. However, some dietary nutrients as polyphenols may also modulate lipid metabolism and thus prevent against hepatic steatosis and/or IR. In that aim, this work was designed to determine, firstly, the preventive effect of polyphenols in rats fed a high fat high sucrose diet and, secondly, the impact of the quantity and the quality of dietary lipids, on triglycerides (TG) and membranes phospholipids (PL) content and/or fatty acid composition and on lipid metabolism in the whole tissue and particularly in mitochondria. Indeed, mitochondria are both a major site for fat metabolism and the main source of reactive oxygen species in hepatocytes and they are postulated to play a central role in the pathogenesis of NAFLD and IR. Our results showed clearly that polyphenols modulate differently lipid metabolism in tissues. In liver, polyphenols prevent lipid accumulation and hepatic steatosis by activating fatty acid oxidation. In skeletal muscle, polyphenols regulate membrane fatty acids composition and fatty acid and glucose transporters expression, thus preventing lipid accumulation and enhancing glucose transport. These modifications may prevent IR in skeletal muscle. In addition, dietary fatty acids quantity and quality influenced significantly fatty acids composition of membrane phospholipids from liver mitochondria, particularly cardiolipin; and thus altered mitochondria functions and liver lipid metabolism which could play a role in the NAFLD pathogenesis.

Les membranes biologiques sont impliquées dans divers mécanismes comme la reconnaissance moléculaire ou encore la fusion membranaire. Les lipides, principaux composants des membranes, sont inhérents à ces processus cellulaires, mais leur organisation et leur rôle fonctionnel au sein de ces systèmes sont très complexes. Dans ce travail, nous avons utilisé des modèles membranaires mimant ces systèmes biologiques pour identifier les interactions mises en jeu avec divers agents exogènes (AEs), en utilisant la microscopie à force atomique (AFM). Nous avons donc travaillé sur deux AEs différents qui interagissent potentiellement avec ces membranes. Le premier intervient directement dans le cadre de l'étude du paludisme. Le mécanisme moléculaire de cette maladie (impliquant probablement des structures lipidiques) n'étant pas clair, la compréhension de celui-ci faciliterait le développement de nouvelles molécules antipaludiques et/ou cibles thérapeutiques. Parallèlement notre étude s'est portée sur l'interaction des nanoparticules (NPs) de TiO2, notre second AE, avec les membranes. Très utilisées dans l'industrie, ces NPs de TiO2 pourraient avoir un impact sur la santé humaine, en interagissant notamment avec les membranes cellulaires. Des techniques biophysiques classiques ont tout d'abord été utilisées pour évaluer l'interaction de l'AE avec des systèmes biomimétiques. Ensuite, lorsque celle-ci est prouvée, l'AFM est utilisée pour visualiser les changements morphologiques des modèles membranaires en présence de ces AEs. Ainsi, pour chaque AE, nous avons finalement suggéré un mécanisme d'interaction afin de répondre aux problématiques soulevées. / Biological membranes play a crucial role as a biological barrier but, paradoxically, they were involved in various precesses : as a molecular recognition, enzymatic catalysis, or membrane fusion. Lipids, as a main component of membranes, are entailed in these process but composition, organization, and functional role in these biological systems are quite complex. Here, we use lipid models mimicking biological membrane to identify their interaction mechanisms with various exogenous agents (EAs) like peptides, nanoparticules, drugs, proteins, using atomic force microscopy (AFM). In this project, we worked on two different molecules which interact potentially with biological membrane. The first one was a molecule directly implicated in malaria disease. In fact, the molecular mechanism, probably involving lipid membranes, is still unclear. The understanding of this mechanism would participate to find new antimalarial drug or new therapeutic targets. The second EA studied was titanium dioxide nanoparticules (TiO2 NPs). Widely used in industry, this product from nanotechnology's development could have an impact on human health, whose potential toxicity mechanism still unknown. Biophysical techniques such as fluorescence spectroscopy, Langmuir monolayer were used to evaluate the potential interaction of the EAs with biomimetic membranes. Then, when the interaction was proved, AFM was used in order to visualize the effects inferred by these EAs. Using supported lipid bilayers, we imaged their behavior after injection of the EA concerned, at the nanometer scale. For each EA, we could suggest a mechanism of interaction and respond to the issues raised.

Les membranes biologiques sont impliquées dans divers mécanismes comme la reconnaissance moléculaire ou encore la fusion membranaire. Les lipides, principaux composants des membranes, sont inhérents à ces processus cellulaires, mais leur organisation et leur rôle fonctionnel au sein de ces systèmes sont très complexes. Dans ce travail, nous avons utilisé des modèles membranaires mimant ces systèmes biologiques pour identifier les interactions mises en jeu avec divers agents exogènes (AEs), en utilisant la microscopie à force atomique (AFM). Nous avons donc travaillé sur deux AEs différents qui interagissent potentiellement avec ces membranes. Le premier intervient directement dans le cadre de l'étude du paludisme. Le mécanisme moléculaire de cette maladie (impliquant probablement des structures lipidiques) n'étant pas clair, la compréhension de celui-ci faciliterait le développement de nouvelles molécules antipaludiques et/ou cibles thérapeutiques. Parallèlement notre étude s'est portée sur l'interaction des nanoparticules (NPs) de TiO2, notre second AE, avec les membranes. Très utilisées dans l'industrie, ces NPs de TiO2 pourraient avoir un impact sur la santé humaine, en interagissant notamment avec les membranes cellulaires. Des techniques biophysiques classiques ont tout d'abord été utilisées pour évaluer l'interaction de l'AE avec des systèmes biomimétiques. Ensuite, lorsque celle-ci est prouvée, l'AFM est utilisée pour visualiser les changements morphologiques des modèles membranaires en présence de ces AEs. Ainsi, pour chaque AE, nous avons finalement suggéré un mécanisme d'interaction afin de répondre aux problématiques soulevées.