Structure, Dynamique et Transport d’énergie dans les Macromolécules Biologiques

Cette proposition de thèse se situe à l’interface entre la physique statistique, le transport dans matière condensée et la biologie moléculaire. Elle explore le paradigme des molécules biologiques en tant qu’archétypes de matière active complexe, caractérisés par la coexistence intrinsèque d’ordre et de désordre. En envisageant ces systèmes comme des nanomachines thermiques, l’objectif est d’élucider comment des phénomènes de localisation d’ondes et des mécanismes de transport hors-équilibre associés au désordre interviennent dans la régulation de leurs fonctions biologiques.

Les macromolécules biologiques, telles que les protéines, ADN ou la chromatine, constituent des systèmes mésoscopiques dans lesquels le désordre structurel peut induire des phénomènes analogues à la localisation d’Anderson, observée dans les solides désordonnés. En particulier, la localisat

Figure 1: Réseau de transport énergétique dans la protéine SPIKE du SARS-COV2 et principaux domaines impliqués dans la rentrée virale

ion des modes vibrationnels (phonons) influence directement le transport d’énergie et la dynamique hors-équilibre, fournissant ainsi un levier potentiellement puissant pour comprendre l’émergence de fonctions biologiques tels que le transport d’information, la catalyse enzymatique ou la conversion d’énergie s’opère dans les systèmes vivants par le biais de l’inhomogénéité structurale des molécules. L’originalité de cette approche réside dans l’application conjointe de concepts issus de la localisation d’ondes en milieu désordonné, du transport quantique dans des environnements désordonnés et enfin de la physique statistique et du traitement de donnée haut débit.

Le projet s’articule autour de deux axes complémentaires, chacun visant à décrypter des aspects spécifiques du désordre des macromolécules. Le premier axe porte sur l’étude des ondes localisées dans les protéines, avec une application proposée dans le cadre des interactions antigène–anticorps, particulièrement pertinentes dans l’immunogénèse d’infections virales. Dans ce contexte, il est envisagé de caractériser les états propres vibrationnels de l’interface atomique antigène/anticorps par le biais d’analyses spectrale, afin de déterminer l’influence des modes localisés sur le transfert d’énergie et d’information au sein de la structure protéique (ex. Figure 1). Nous postulons que la mesure des flux d’énergie aux interfaces, lesquels sont directement modulés par les vibrations, constitue un moyen prometteur pour évaluer l’efficacité des anticorps dans leur rôle de neutralisation.

Le second axe se focalise sur la dynamique et topologique de l’ADN, plus particulièrement la chromatine, dans différents types de cellules vivantes. Cet axe vise à étudier le couplage entre les modes de torsion, les vibrations localisées associées à la structure et à la topologie du matériel génétique, afin de comprendre comment les interactions entre le matériel génétique et les protéines modifiants sa structure 3D influencent

Figure 2: Chromatine et Histone dans une cellulle (Image d'AFM)

la transcription d’un ensemble de gènes (Figure 2). Pour valider les modèles théoriques proposés, nous intégrerons des données expérimentales issues de techniques développées au laboratoire, telles que la capture de la signature topologique par laser pulsé et l’analyse de séquençage par Nanopore, parallèlement à des simulations numériques basées sur la dynamique moléculaire. Ces approches combinées permettront d’établir un cadre robuste pour appréhender les mécanismes de transcription impliqués dans l’épigénétique.

La validation expérimentale s'appuiera sur un réseau de collaborations établies. Au niveau local, nous développerons les techniques de capture d’empreintes topologiques pour caractériser les structure 3D de la chromatine (ADN) par laser. En parallèle, nos partenariats avec l'Institut Pasteur et l'INSERM permettront d'accéder à des infrastructures de pointe pour le séquençage ainsi que des lignées cellulaires à analyser, notamment dans le contexte des maladies infectieuses et du cancer. Ce projet offre ainsi une opportunité unique pour un physicien ou un statisticien de contribuer à des avancées fondamentales en physique et en biologie moléculaire, en intégrant développements théoriques, calculs et simulations numériques, ainsi que validations expérimentales, afin d’explorer en profondeur les mécanismes régissant la matière vivante.

Campus CentraleSupelec et Ecole Normale Supèrieure, Université Paris-Saclay

Mathématique, statistiques, analyse de données, biophysique.