C
omprendre les effets de l’environnement sur la mécanique de l’ADN est es-sentiel pour mieux appréhender ce qui se produit à l’intérieur du noyau cellulaire, notamment lors de processus biologiques tels que la transcription ou la réplication. En effet, il a été constaté expérimentalement que l’ADN est un biopolymère qui peut se rigidifier, se courber abruptement, voire se dénaturer en fonction de sa séquence, mais aussi en fonction des conditions physico-chimiques de son environnement. De tels événements modifient radicalement la flexibilité et l’élasticité de l’ADN, autrement dit lalongueur de persistance de ce biopoly-mère. La détection de l’impact sur les propriétés mécaniques et physiques de la molécule d’ADN par de tels effets globaux ou d’événements locaux, est cruciale pour la compréhension de la physique de cette molécule.En effet, encore aujourd’hui de nombreuses questions se posent quant à la flexibilité de l’ADN. De nombreux processus biologiques in vivo ne peuvent être simplement expliqués par les modèles classiques de physique des polymères tels queFreely-Jointed-ChainouWorm-Like chain. De plus, nous avons pu souligner les limites de ces modèles afin d’extraire les propriétés physiques intrinsèques à la molécule d’ADN.
Dans ce cadre-là, nous utilisons et développons des outils à l’échelle de la molécule unique afin de quantifier et de prospecter, à la fois, expérimentalement et théoriquement, l’impact de ces modifications globales ou locales. Pour cela nous utilisons les capacités des méthodes de suivi de molécule unique via la technique expérimentale deTethered Particle Motion. L’avantage majeur de cette technique réside dans l’absence de forces extérieures appliquées au système, ne contraignant ainsi pas significativement les degrés de liberté conformationnelle du polymère. Touchant aux limites des modèles analytiques, nous utiliserons un modèle numé-rique de physique statistique mésoscopique, basé sur un algorithme de Monte Carlo, afin de résoudre le problème inverse. Nous combinons donc approche expérimentale et approche numérique basée sur les modèles de physique des polymères. En effet, l’outil numérique est central dans notre approche, car la connaissance du modèle sous-jacent est déterminante dans l’interprétation des effets fins que nous cherchons à mettre en exergue.
Dans cette première partie consacrée aux résultats, nous allons nous intéres-ser à l’impact de l’environnement physico-chimique défini par la force ionique du milieu, sur la mécanique d’une molécule ADN. Quelle est l’influence de la force ionique sur la longueur de persistance du biopolymère qu’est la molécule d’ADN ? Cette question fut soulevée depuis de nombreuses décennies. Dans les années 80, une longue série d’études fut réalisée et elles restent aujourd’hui
134 Objectifs de la thèse
toujours sujettes à controverse. En effet, les prévisions théoriques du modèle Odijk-Skolnick-Fixman, suivies de près par le modèle de condensation de contre-ions de Manning, s’écartent des données expérimentales de la littérature. Nous cherchons donc à acquérir des données expérimentales sur une gamme de forces ioniques étendue et sondée extensivement. Tout d’abord, pouvons-nous quanti-fier une variation des propriétés physiques de la molécule d’ADN en fonction de la force ionique induite par la présence de contre-ions en solution ? Quel est le profil de dépendance de cette dernière sur les propriétés physiques et plus particulièrement sur la longueur de persistance de l’ADN ? L’influence de la force ionique sur les propriétés physiques de l’ADN est-elle dépendante de la nature des contre-ions présents en solution, monovalents avec Na+ et divalents avec
Mg2+? Pouvons-nous comprendre la cause des écarts entre théorie et expérience ? Ainsi, nous est-il possible de contribuer à une meilleure compréhension de la prise en compte de l’effet induit par une variation de la force ionique ? Nous nous efforcerons de répondre à l’ensemble de ces questions dans ce premier chapitre de résultats.
Dans le deuxième chapitre de cette partie consacrée aux résultats, nous nous intéresserons à l’influence d’effets locaux induits par la présence de courbure intrinsèque due à la séquence même de l’ADN, ou encore par la formation d’une bulle de dénaturation. Dès les années 80, des séquences spécifiques existant in vivo furent identifiées par leur particularité d’induire une courbure intrinsèque à la séquence même de la molécule d’ADN. Ceci est induit par la succession des acides nucléiques les constituant, autrement dit par la séquence même de l’ADN. Ces séquences courtes, de l’ordre d’une dizaine de paires de bases, auxquelles nous nous intéressons se nomment A-tract. Nous est-il possible de détecter une courbure dans la molécule d’ADN utilisée en TPM ? Les contraintes mécaniques induites par ces séquences courtes ont-elles un effet tout le long de l’ADN et sont-elles détectables sur une taille de molécule importante ? Nous est-il possible de détecter et quantifier une variation d’amplitude ainsi que la courbure induite par la présence d’un A-tract ?
Après avoir examiné ces questions, nous nous intéresserons à l’influence de la température sur la molécule d’ADN. Nous est-il possible de distinguer le ré-gime où le double brins d’ADN est encore hybridé du réré-gime où il existe des parties déshybridées dans la molécule d’ADN, c’est à dire où il existe une bulle de dénaturation ? Quelle est la dépendance des propriétés physiques, et plus particu-lièrement de la longueur de persistance de l’ADN, en fonction de la température ? Existe-il une concordance entre les résultats expérimentaux et les modèles théo-riques ? Nous explorerons l’ensemble de ces questions dans le troisième chapitre de résultats.
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