L’ADN, support de l’information génétique, est constamment altéré par des agents physiques ou chimiques d’origines endogènes (métabolisme) et exogènes (UV, radiations ionisantes, produits chimiques) dont les effets sont génotoxiques. Ces modifications structurales délétères de l’ADN sont éliminées par de nombreux mécanismes de réparation. Parmi eux, le système de réparation par excision de bases (BER) est initié par les ADN glycosylases qui reconnaissent et éliminent les bases endommagées. Dans certaines stratégies anti-cancéreuses, l’utilisation de la chimiothérapie et la radiothérapie ont pour but la destruction des cellules cancéreuses en altérant leur ADN. Dans ce contexte, les ADN glycosylases réparent l’ADN des cellules traitées et induisent une résistance non désirée au traitement, faisant de ces enzymes des cibles thérapeutiques intéressantes. Le but de ces travaux est d’approfondir la compréhension des mécanismes de réparation des ADN glycosylases de la superfamille structurale Fpg/Nei grâce à la modélisation moléculaire et de pouvoir identifier et concevoir des inhibiteurs de ces enzymes. Les simulations de dynamique moléculaire (DM) nous ont permis d’étudier la « Lesion Capping Loop » (LCL) et de l’associer à la stabilisation de la base endommagée positionnée dans le site actif. Nous avons également étudié les chemins de sortie possibles de la base après coupure par l’enzyme et l’implication de la boucle LCL dans ce phénomène grâce à des simulations de DM ciblée (TMD-1). De plus, les simulations de DM couplées à un protocole d’amarrage moléculaire « aveugle » nous ont permis d’identifier 2 sites de fixations possibles majoritaires pour des petites molécules potentiellement inhibitrices. Un de ces sites correspondant au site actif de hNEIL1 a fait l’objet d’un criblage virtuel d’une partie de la base de molécules Ambinter. Ceci nous a permis d’identifier des molécules potentiellement inhibitrices dont les effets seront prochainement testés in vitro dans l’équipe sur la protéine humaine hNeil1. / The DNA, genetic information support, is frequently damaged by physical or chemical agents from endogenous (cell metabolism) and exogenous (UV, ionizing radiations, chemicals) factors whose effects are genotoxic. These deleterious DNA structural alterations are removed by many DNA repair mechanisms. Among them, the base excision repair (BER) is initiated by DNA glycosylases which recognize and remove damaged bases. In some anti-cancer strategies, the use of chemo- and radiotherapy is aimed to cancerous cells destruction by altering their DNA. In that specific context, DNA glycosylases repair the DNA of treated cells and induce unwanted resistance to treatments, making these enzymes interesting therapeutic targets. The purpose of this work is to deepen the repair mechanism knowledge of Fpg/Nei structural superfamily of DNA glycosylases using molecular modeling and designing inhibitors of these enzymes. Molecular dynamic simulations allowed us to study the « Lesion Capping Loop » (LCL) and to associate its role to substrate stabilization in the enzyme active site. We also studied some possible excision’s product release pathways and LCL implication in this phenomena by targeted molecular dynamic simulations (TMD-1). Furthermore, molecular dynamic simulations coupled to a blind molecular docking protocol allowed us to identify 2 possible main binding sites of potential inhibitiors. One of these binding sites corresponding to the hNEIL1 active site has been the object of a virtual screening of the Greenpharma database. This allowed us to identify potential inhibitors whom effects will be soon tested in vitro on the humain protein hNEIL1.

Les interactions protéine-protéine sont souvent contrôlées par de petits domaines protéiques qui régulent les chemins de signalisation au sein des cellules eucaryotes. Les domaines PDZ sont parmi les domaines les plus répandus et les plus étudiés. Ils reconnaissent spécifiquement les 4 à 10 acides aminés C-terminaux de leurs partenaires. Tiam1 est un facteur d'échange de GTP de la protéine Rac1 qui contrôle la migration et la prolifération cellulaire et dont le domaine PDZ lie les protéines Syndecan-1 (Sdc1), Caspr4 et Neurexine. Des petits peptides ou des molécules peptidomimétiques peuvent potentiellement inhiber ou moduler son activité et être utilisés à des fins thérapeutiques. Nous avons appliqué des approches de dessin computationnel de protéine (CPD) et de calcul d'énergie libre par simulations dynamique moléculaire (DM) pour comprendre et modifier sa spécificité. Le CPD utilise un modèle structural et une fonction d'énergie pour explorer l'espace des séquences et des structures et identifier des variants protéiques ou peptidiques stables et fonctionnels. Nous avons utilisé le programme de CPD Proteus, développé au laboratoire, pour redessiner entièrement le domaine PDZ de Tiam1. Les séquences générées sont similaires à celles des domaines PDZ naturels, avec des scores de similarité et de reconnaissance de pli comparables au programme Rosetta, un outil de CPD très utilisé. Des séquences contenant environ 60 positions mutées sur 90, ont été testées par simulations de DM et des mesures biophysiques. Quatre des cinq séquences testées expérimentalement (par nos collaborateurs) montrent un dépliement réversible autour de 50°C. Proteus a également déterminer correctement la spécificité de la liaison de quelques variants protéiques et peptidiques. Pour étudier plus finement la spécificité, nous avons paramétré un modèle d'énergie libre semi-empirique de Poisson-Boltzmann ayant la forme d'une énergie linéaire d'interaction, ou PB/LIE, appliqué à des conformations issues de simulations de DM en solvant explicite de complexes PDZ:peptide. Avec trois paramètres ajustables, le modèle reproduit correctement les affinités expérimentales de 41 variants, avec une erreur moyenne absolue de 0,4~kcal/mol, et donne des prédictions pour 10 nouveaux variants. Le modèle PB/LIE a ensuite comparé à la méthode non-empirique de calcul d'énergie libre par simulations alchimiques, qui n'a pas de paramètre ajustable et qui prédit correctement l'affinité de 12 complexes Tiam1:peptide. Ces outils et les résultats obtenus devraient nous permettre d'identifier des peptides inhibiteurs et auront d'importantes retombées pour l'ingénierie des interactions PDZ:peptide. / Small protein domains often direct protein-protein interactions and regulate eukaryotic signalling pathways. PDZ domains are among the most widespread and best-studied. They specifically recognize the 4-10 C-terminal amino acids of target proteins. Tiam1 is a Rac GTP exchange factor that helps control cellmigration and proliferation and whose PDZ domain binds the proteins syndecan-1 (Sdc1), Caspr4, and Neurexin. Short peptides and peptidomimetics can potentially inhibit or modulate its action and act as bioreagents or therapeutics. We used computational protein design (CPD) and molecular dynamics (MD) free energy simulations to understand and engineer its peptide specificity. CPD uses a structural model and an energy function to explore the space of sequences and structures and identify stable and functional protein or peptide variants. We used our in-house Proteus CPD package to completely redesign the Tiam1 PDZ domain. The designed sequences were similar to natural PDZ domains, with similarity and fold recognition scores comarable to the widely-used Rosetta CPD package. Selected sequences, containing around 60 mutated positions out of 90, were tested by microsecond MD simulations and biophysical experiments. Four of five sequences tested experimentally (by our collaborators) displayed reversible unfolding around 50°C. Proteus also accurately scored the binding specificity of several protein and peptide variants. As a more refined model for specificity, we parameterized a semi-empirical free energy model of the Poisson-Boltzmann Linear Interaction Energy or PB/LIE form, which scores conformations extracted from explicit solvent MD simulations of PDZ:peptide complexes. With three adjustable parameters, the model accurately reproduced the experimental binding affinities of 41 variants, with a mean unsigned error of just 0.4 kcal/mol, andgave predictions for 10 new variants. The PB/LIE model was tested further by comparing to non-empirical, alchemical, MD free energy simulations, which have no adjustable parameters and were found to give chemical accuracy for 12 Tiam1:peptide complexes. The tools and insights obtained should help discover new tight binding peptides or peptidomimetics and have broad implications for engineering PDZ:peptide interactions.

Les mitochondries sont des organites dynamiques dont la morphologie dépend de l’équilibre fusion/fission de leurs membranes. Ce processus essentiel à la survie cellulaire est nommé dynamique mitochondriale et sa dérégulation est associée à des troubles neurologiques. Cependant les mécanismes précis régissant la dynamique mitochondriale ne sont pas élucidés. Cette thèse porte sur la protéine Fzo1p, une grande GTPase de la superfamille des Dynamin-related-Protein. C’est un élément clé impliqué dans la fusion mitochondriale de la membrane externe de la levure. Sa structure et sa dynamique ont été étudiées par modélisation et simulations de dynamiques moléculaires tout-atome dans une bicouche lipidique solvatée. Le modèle structural obtenu tient compte de données expérimentales, de template structuraux, et de modèles ab initio du domaine transmembranaire de Fzo1p. Ce modèle a été validé expérimentalement par mutagenèse dirigée. Des permutations de charges ont confirmé des ponts salins à longue distance prédits dans le modèle. En outre, des mutations ont montré que les domaines coiled-coil de Fzo1p, contrairement à sa partie N-terminale, sont indispensables à sa fonction. L’ensemble des résultats expérimentaux et in silico met en évidence l’implication des domaines charnières dans le changement conformationnel de Fzo1p, ainsi que des résidus critiques affectant sa stabilité. Les précisions atomiques obtenues sur l’interaction de Fzo1p avec le GDP permet de formuler des hypothèses sur le mécanisme moléculaire de la catalyse du GTP pour la fusion membranaire; voire à la compréhension de la dynamique mitochondriale. / Mitochondria are dynamic organelles whose morphology is determined by fusion and fission of their membranes. This essential process is known as mitochondrial dynamics. Defects in mitochondrial dynamics are associated with neurological disorders making the investigation of physiological relevance. However, the precise sequence of events that lead mitochondrial dynamics are still not well characterised. Fzo1p, a large GTPase of the Dynamin-Related Proteins superfamily, is a key component in mitochondrial outer membrane fusion in yeast. During this PhD project I built a model of the protein Fzo1p. The structure and dynamics of the model was investigated through molecular modelling and all-atom molecular dynamics simulation in a fully hydrated lipid bilayer environment. The Fzo1p structural model integrates information from several template structures, experimental knowledge, as well as ab initio models of the transmembrane segments. The model is validated experimentally through directed mutagenesis, for instance charge-swap mutations confirm predicted long-distance salt bridges. A series of mutants indicate that coiled-coil domains are required for protein function at variance with its N-terminal region. Overall, the experimental and in silico approaches pinpoint the hinge domains involved in the putative conformational change and identifies critical residues affecting protein stability. Finally, key Fzo1p-GDP interactions provide insights about the molecular mechanism of membrane fusion catalysis. The model provides insight on atomic level and proposes a structure that will be instructional to understanding mitochondrial membrane fusion.

Ce travail vise à étudier les propriétés de transport et le comportement poromécaniquede fluides simples confinés dans des nanopores lamellaires par le biais de simulationsmoléculaires. Pour ce faire, nous avons proposé différents schémas de simulations de ladynamique moléculaire dans des ensembles adaptés aux propriétés étudiées (diffusion demasse, viscosité, force de friction, gonflement …). Il a été note que les propriétés de transportde fluides fortement inhomogènes variaient fortement dans la direction perpendiculaire auxmurs solides. Nous avons alors proposé une approche non-locale permettant de déterminerquantitativement la viscosité locale de fluides inhomogènes à partir du profil de densité etapplicable pour des sphères dures, molles et le fluide de Lennard-Jones. Il a été égalementmontré qu’un fluide de Lennard-Jones fortement confiné pouvait avoir un comportementviscoplastique (et rhéofluidifiant) si un ordre structurel était induit dans le fluide par laposition relative des murs solides. Enfin, nous avons montré qu’une modification importantede la pression de solvatation du fluide confiné peut être induite par cisaillement ce qui peutinduire un gonflement « dynamique » d’un nanopore lamellaire. / This work aims at investigating the transport properties and the poromechanics of simple spherical fluids confined in slit nanopores through molecular simulations. To do so, we have proposed different schemes to perform molecular dynamics simulations in ensembles adequate to deal with the properties we were looking after (mass diffusion, shear viscosity,friction force, swelling …). The transport properties of strongly inhomogeneous fluids were found to be varying with space perpendicularly to the solid walls. We have then proposed a non-local approach to determine quantitatively the local shear viscosity of such inhomogeneous fluids from the density profile applicable from the Hard-Sphere to the Lennard-Jones fluids. In addition, it has been shown that highly confined Lennard-Jones fluid may exhibit a visco-plastic (+ shear thinning) behavior when a strong structural order is induced in the whole confined fluid because of the relative position of the solid walls. Finally, it was demonstrated that shear induced modifications of the solvation pressure of a confined fluid may exist that leads to a “dynamic” swelling when a slit micropore is sheared.

À l'approche de la transition vitreuse les fondus de polymères montrent une augmentation importante de la viscosité de plusieurs ordres de grandeur. Le but de cette étude est d'acquérir une compréhension plus profonde des propriétés viscoélastiques des fondus de polymères vitrifiables. Les polymères sont modélisés comme des chaînes flexibles en utilisant un modèle de bille-ressort. Les propriétés dynamiques sont analysées dans le cadre de la théorie de couplage de mode idéale. Nous constatons que la température critique de couplage de mode varie avec l'inverse de la longueur de chaîne. En étudiant la fonction de relaxation de cisaillement, nous constatons que les processus de relaxation polymériques, ne sont pas modifiés, mais décalés vers des temps plus importants en approchant la transition vitreuse.

L'objectif de cette thèse est de mettre en œuvre une description multi-échelle adaptée aux écoulements de fluides dans des micro-/nano-conduites. Cette approche doit permettre de décrire, aussi bien les petites échelles relatives aux interactions du fluide avec les atomes du mur, que les grandes échelles de l’écoulement engendrées par les conditions aux limites d'entrée/sortie du canal. Pour cela, nous avons développé une méthode qui couple une modélisation continue des écoulements et des transferts de chaleur dans le cœur du canal avec une modélisation discrète proche des parois, basée sur une représentation atomistique du fluide et du mur.Les équations de Navier-Stokes et de l’énergie, couplées à une équation d’état, sont approximées par une méthode de volumes finis dans le cœur de l’écoulement alors que des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour représenter finement les interactions entre le fluide et la paroi. Cette approche hybride nécessite la transmission d’informations entre les modélisations : les grandeurs moyennées moléculaires sont imposées comme conditions aux limites pour le modèle continu, et la dynamique sous contrainte, couplée à un thermostat de Langevin, est utilisée pour piloter l’échelle moléculaire. Une représentation par des plots moléculaires locaux de petite taille, intelligemment répartis le long de l’interface entre le fluide et le mur, permet de traiter des écoulements et des transferts dans des canaux de très grands allongements, pour des coûts de calcul raisonnables.Après une partie de validation, des simulations hybrides multi-échelles d’écoulements dans des canaux constitués de parois en platine ont été menées pour de l’argon en phase liquide (incompressible) ou gazeuse (compressible), en tenant compte éventuellement du changement de phase au voisinage de la paroi / The main objective of this thesis is to model the multi-scale heat and fluid flows in micro-/nano channels. This method must be able of capturing at the same time the fluid/solid interaction at the small scale but also the flows induced by the inlet/outlet boundary conditions at the large scale. To this aim, we have adopted an approach coupling the continuum model in the bulks of the channel and the discrete model at the vicinity of the wall, based on an atomistic representation of the fluid and the solid.The Navier-Stokes and energy equations, coupled with an equation of state, are approximated by a finite volume method and the molecular dynamics simulations are used to finely represent the interaction between the fluid and the solid. This hybrid method requires information transmission between the former two regions: averaged quantity in molecular dynamics simulations are imposed as boundary conditions for the continuous model and constrained dynamics, coupled with a thermostat Langevin, is used to control in the molecular level. A set of small molecular dynamics blocks, smartly distributed all along the wall/fluid interface, allows to treat flow and heat transfers in a long micro/nano-channel with a reasonable computational cost.After a validation step, the hybrid multi-scale simulations of complex fluid flows in the channel composed of the platinum wall have been conducted for argon in incompressible liquid or compressible gaseous phase with and without phase change in the vicinity of the wall

Comprendre l’origine microscopique du ralentissement de la dynamique au voisinage de la transition vitreuse reste l’un des problèmes fondamentaux de la physique de la matière condensée. Au cours de ce travail, nous introduisons un nouveau modèle de liquide, appelé liquide de Voronoï, et dont les interactions sont directement reliées aux propriétés géométriques des tessellations de Voronoï. Pour cette classe de liquides, les interactions sont à plusieurs corps et agissent de telle sorte que le système est toujours sous tension tout en restant stable. Le but de ce travail est d’étudier un mélange binaire du liquide de Voronoï et de voir de quelles façons ces interactions exotiques affectent le scénario habituel de la transition vitreuse. Tout au long de ce travail, nous caractérisons le liquide de Voronoï bidisperse théoriquement et par le biais des simulations numériques. Nous proposons également des comparaisons avec des liquides de Lennard-Jones surfondus bien décrit dans la littérature. / Understanding the origin of the important slowing down of the dynamics near glass transition is still one of the remaining fundamental problems of condensed matter physics. During this work we introduced a brand-new model of liquids named Voronoi liquid, whose interactions are directly related to the geometrical properties of Voronoi tessellations. For these class of liquids interactions are intrinsically manybody and act in such a way that the liquid is always under tension but remains stable. The aim of this work is to use a binary mixture of the Voronoi liquid to see to what extend these exotic interactions may affect the classical scenario of glass transition. Throughout this work we characterize theoretically and by mean of numerical simulation the bidisperse Voronoi liquid. Comparisons with well-known Lennard-Jones glass formers are systematically performed.

De nombreux processus biologiques liés aux membranes cellulaires lipidiques sont encore très mal connus. La présence d'eau et d'ions à l'interface influence les propriétés structurelles et dynamiques de la bicouche lipidique. Les techniques de fluorescence sont très utiles pour étudier les membranes en raison de la grande sensibilité des sondes à leur environnement. Nous avons utilisé la technique de relaxation de solvant (SR) pour explorer l'hydratation et la mobilité de l'eau. Nous avons également réalisé des calculs quantiques (QM) et des dynamiques moléculaires (DM) pour étayer nos expériences. Les résultats SR montrent qu'un petit cation (Na+) est très attiré par la membrane et augmente sa rigidité à l'opposé des cations (NH4+, Cs+) plus gros. Les anions (CI04-, SCN-) s'adsorbent à l'interface plus facilement que Cl-. Ces anions changent la mobilité et l'hydratation des têtes polaires des lipides de la bicouche. Les études SR de la zone hydrophobe de la membrane montrent que les processus de relaxation sont ici très complexes. lis reflètent des processus rapides intramoléculaire (relaxation de torsion, transferts de charge) et des processus intermoléculaires lents. Les calculs QM ont permis de créer les champs de force de trois sondes fluorescentes (Prodan, Laurdan et C-laurdan). Les simulations DM ont permis de déterminer les positions des sondes dans une membrane DOPC. La modélisation reproduit correctement les résultats SR, en particulier les temps de relaxation : de l'ordre de la ps en solvant aqueux et de la ns dans la membrane. Les simulations MD sont complémentaires des méthodes SR et permettent de surveiller le comportement de molécules uniques. / Many biologically important processes and phcnomena in lipid membranes are still not fully understood. The presence of ions and water molœules has a significant influence on the structural and dynamical properties of lipid bilayers. Fluorescent techniques are versatile tools for studying the lipid membranes, because the fluorescence emission is strongly sensitive to dye environment. We have conducted fluorescent solvent relaxation (SR) experiments to explore the hydration and mobility properties in lipid membranes in the presence of different chaotropic ions. We have also carried out Quantum Mechanical (QM) calculations and Molecular Dynamics (MD) simulations for supporting the SR experiments. SR experiments show that small cation (Na+) is attracted to the membrane and increases rigidity ofbilayer, while larger cations (NH/, Cs+) should not. Large anions (CI04·, SCN') adsorl, at the membrane interface more easily than smaller ones (Cl') and significantly change tl!e mobility and hydration of the headgroup region oflipid bilayer. SR study ofhydrophobic part of the membrane show that SR processes are complex there and reflect botl!: faster, intramolecular (torsional relaxation or fonnation of charge transfer state) and slower, intermolecular (SR) relaxation processes. QM calculatiom were used to create force-field for three fluorescent dyes (Prodan, Laurdan and C-laurdan). MD simulations allow detennining position of the dye in the lipid membrane in the ground state and after excitation and reproduce correctly SR timescale- ps in water and ns in the membrane. MD simulations extend the capabilities of SR method and allow observing the behaviour of individual molecules.

À l'approche de la transition vitreuse les fondus de polymères montrent une augmentation importante de la viscosité de plusieurs ordres de grandeur. Le but de cette étude est d'acquérir une compréhension plus profonde des propriétés viscoélastiques des fondus de polymères vitrifiables. Les polymères sont modélisés comme des chaînes flexibles en utilisant un modèle de bille-ressort. Les propriétés dynamiques sont analysées dans le cadre de la théorie de couplage de mode idéale. Nous constatons que la température critique de couplage de mode varie avec l'inverse de la longueur de chaîne. En étudiant la fonction de relaxation de cisaillement, nous constatons que les processus de relaxation polymériques, ne sont pas modifiés, mais décalés vers des temps plus importants en approchant la transition vitreuse. / Polymer melts show a remarkable increase of their viscosity by many orders of magnitude on approaching the glass transition. The aim of this study is to gain a deeper insight into the viscoelastic properties of glass forming polymer melts. The polymers are modeled as flexible chains using a bead-spring model. The dynamic properties are analyzed in the framework of the ideal mode-coupling theory. We find that the critical temperature of the ideal mode-coupling theory scales with the reciprocal chain length. By studying the shear relaxation function we find that the polymer relaxation processes are not altered but shifted to later times in the approach of the glass transition.

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