Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Quentin Goutaland effectuée sous la direction de Jean-Baptiste Fournier et de Frédéric van-Wijland.

Soutenance le jeudi 8 décembre 2022 à 14h00 en salle 366 Gustav Klimt, Université Paris Cité, Bâtiment Condorcet, 10 rue A. Domon et L. Duquet, 75013 Paris.

Collective dynamics of passive and conformationally active membrane proteins

Résumé : Les membranes biologiques sont des constituants importants de nos cellules qui ont pour rôle d’isoler le cytoplasme du fluide extracellulaire. Les bicouches lipidiques, qui forment la base de ces membranes, sont des structures auto-assemblées qui confèrent ses propriétés de fluidité et d’élasticité aux membranes. De plus, les membranes biologiques contiennent des protéines, objets rigides existant dans une grande variété de formes et impliqués dans plusieurs mécanismes biologiques tels que les transports intra et extracellulaires. En raison de leur forme et de leur rigidité, certaines protéines peuvent déformer les membranes. D’autres sont même conformationellement active, i.e., elles peuvent changer leur forme, passant sur des états qui peuvent déformer ou non la membrane Ces déformations élastiques entraînent des interactions médiées élastiques entre les protéines, auxquelles s’ajoutent des interactions de type Casimir issues des fluctuations de la forme de la membrane. En outre, la membrane biologique est entourée par un solvent, ajoutant ainsi des couplages hydrodynamiques.

Cette thèse aborde la dynamique collective de protéines membranaires passives et conformationellement actives qui induisent une courbure locale à la membrane, au travers d’approches à la fois analytiques et numériques.

Abstract : Biological membranes are important constituents of our cells that separate the cytoplasm from the extracellular fluid. Lipid bilayers, which form the basis of these membranes, are self-assembled structures that give fluidity and elastic properties to the membranes. Furthermore, biological membranes contain proteins, rigid objects coming in various shapes and implied in many biological mechanisms such as intra and extracellular transport. Due to their shape and rigidity, some proteins can deform the membranes and others are conformationally active, i.e., they can switch between states which can either deform the membrane, or not. These elastic deformations cause elastic mediated interactions between proteins, which are supplemented by Casimir-like interactions coming from the membrane shape fluctuations. In addition, a biological membrane is surrounded by a solvent fluid adding hydrodynamic couplings. This thesis deals with the collective dynamics of passive and conformationally active proteins that induce a local curvature of the membrane, using both analytical and numerical approaches.