Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Thomas Auger effectuée sous la direction de Fabien Montel et Loïc Auvray.

Soutenance le lundi 31 octobre 2016 à 14h.

Lieu : bâtiment Condorcet, Salle 454A (4e étage).

La soutenance sera suivie d’un pot au 6e étage.

Translocation de biopolymères à travers des pores naturels ou artificiels

Résumé :

La translocation de biopolymères à travers un nanopore intervient dans de nombreux processus biologiques et technologiques, comme le transport nucléocytoplasmique dans le pore nucléaire des cellules eucaryotes, la sécrétion de protéines, le séquençage rapide de l’ADN ou l’électrophorèse capillaire.

Nous proposons une technique optique en molécule unique originale pour l’étude de la translocation de biopolymères à travers un nanopore basée sur l’effet Zero-Mode Waveguide. Nous nous sommes intéressés au passage d’ADN double-brin de plusieurs tailles, d’ADN simple-brin et d’ARN, entraînés par un flux à travers une membrane nanoporeuse track-etched. Nous montrons qu’il existe un flux critique régissant le passage des biopolymères indépendant du rayon des pores ainsi que de la taille des biopolymères et de leur nature, conformément aux prédictions théoriques de Brochard et de Gennes.

Le pore nucléaire est un nanopore biologique responsable du transport sélectif entre le noyau et le cytoplasme des cellules. Nous avons étudié l’influence de la concentration en importinβ1 – une protéine nécessaire au transport nucléocytoplasmique – sur l’organisation du canal central du pore nucléaire de Xenopus laevis en mesurant la diffusion de molécules de Dextran fluorescentes à travers celui-ci. Nous observons une ouverture du canal central à basse concentration suivi d’un rétrécissement de celui-ci à plus forte concentration. Cette évolution du rayon du canal central avec la concentration en importinβ1 est conforme aux modèles en champ moyen de Opferman et coll. et de Ando et coll. et aux observations expérimentales sur des systèmes reconstitués in vitro de Lim et coll. et Zahn et coll.

Abstract :

The translocation of biopolymers through a nanopore is a feature common to many biological and technological processes such as the nucleocytoplasmic transport through the nuclear pore complex (NPC), protein secretion, fast DNA sequencing or capillary electrophoresis.

We have developed an original single molecule optical detection technique for the study of biopolymers translocation through a nanopore based on the Zero-Mode Waveguide effect. We studied the passage of double stranded DNA of different sizes, of single stranded DNA and of double stranded RNA driven by a flux through track-etched nanoporous membranes. We demonstrate that translocation is governed by a critical flux independent of both biopolymer size and nature and of the pore radius in agreement with the theoretical predictions of Brochard and de Gennes.

The NPC is a biological nanopore responsible for the selective transport between cytoplasm and nucleus in cells. We studied the influence of importinβ1 concentration – a protein involved in the nucleocytoplasmic transport – on the structure of the central channel of the NPC of Xenopus laevis by assessing the diffusion of fluorescently labeled Dextran molecules through the NPC. We observe an opening of the central channel at low concentration followed by a shrinking at higher concentration in importinβ1 in agreement with mean-field models from Opferman et al. and Ando et al. and with experiments on biomimetic in vitro systems from Lim et al. and Zahn et al.