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Thèse Année : 2012

Statistics and dynamics of complex membranes

Statistique et dynamique des membranes complexes

Anne-Florence Bitbol

Résumé

This thesis deals with biological membranes, studied from the point of view of theoretical physics. We focus on some generic effects of the presence of one or two membrane inclusions, e.g., proteins, or of a local chemical change of the environment of the membrane.
First, we study the Casimir-like interaction between two membrane inclusions, which arises from the constraints imposed by the inclusions on the thermal fluctuations of the shape of the membrane. We calculate the fluctuations of the Casimir-like force between two point-like inclusions. We clarify the definition of the force exerted by a correlated fluid on an inclusion, in a microstate of the fluid. This definition plays a key art in studies of the Casimir-like force beyond its thermal equilibrium value. We also study the Casimir-like interaction between rod-shaped membrane inclusions.
Then, we investigate membrane elasticity at the nanoscale, which is involved in local membrane thickness deformations in the vicinity of proteins. We put forward the importance of an energetic term that is neglected in existing models.
Finally, we present a theoretical description of the dynamics of a membrane submitted to a local chemical perturbation of its environment, starting from first principles. We compare our theoretical predictions to new experimental results regarding the dynamical deformation of a biomimetic membrane submitted to a local pH increase.
Cette thèse porte sur les membranes biologiques, étudiées du point de vue de la physique théorique. Nous nous intéressons aux effets génériques de la présence d'une ou deux inclusions membranaires, par exemple des protéines, et à ceux d'une modification chimique locale de l'environnement de la membrane.
Tout d'abord, nous étudions une interaction entre deux inclusions membranaires, qui est analogue à la force de Casimir : elle provient des contraintes que les inclusions imposent aux fluctuations thermiques de la forme de la membrane. Nous calculons les fluctuations de cette force entre deux inclusions ponctuelles. Nous clarifions la définition de la force exercée par un fluide corrélé sur une inclusion, dans un micro-état du fluide. Cette définition joue un rôle clé dans l'étude de la force de Casimir au-delà de sa valeur moyenne à l'équilibre. Nous étudions également les interactions de Casimir entre des inclusions membranaires de forme allongée.
Ensuite, nous nous intéressons à l'élasticité membranaire à l'échelle nanométrique, qui est mise en jeu dans les déformations locales de l'épaisseur de la membrane à proximité de certaines protéines. Nous soulignons l'importance d'un terme énergétique qui a été négligé jusqu'à présent.
Enfin, nous présentons une description théorique, développée à partir de principes fondamentaux, de la dynamique d'une membrane soumise à une perturbation chimique locale de son environnement. Nous comparons nos prévisions théoriques à de nouveaux résultats expérimentaux portant sur la déformation dynamique d'une membrane biomimétique soumise à une augmentation locale de pH.
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Dates et versions

tel-00767943 , version 1 (20-12-2012)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00767943 , version 1

Citer

Anne-Florence Bitbol. Statistics and dynamics of complex membranes. Soft Condensed Matter [cond-mat.soft]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2012. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00767943⟩
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