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Theses Year : 2019

Inferring forces from geometry in biology

Déduire les forces à partir de la géométrie en biologie

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Abstract

Inter-molecular forces on which we have poor prior knowledge are often essential for the stability and evolution of biological assemblies. In this thesis, we focus on two such forces that are critically involved in the deformation of either biopolymers or membranes. We infer these forces by reconciling the geometry of such deformation with simple mechanical models. In the first part of the thesis, we consider the attractive force between DNA molecules mediated by multivalent cations. This attraction is required to compensate DNA bending rigidity when packaging large quantities of DNA in comparatively small environments, such as the nuclei of sperm cells. In vitro, multivalent cations drive DNA condensation into dense toroidal bundles. Geometrical data on DNA toroidal bundles give access to the competition between inter-helical attraction and DNA bending rigidity. From these data, we infer inter-helical forces and argue that the toroid curvature weakens the adhesion between DNA molecules. In the second part of the thesis, we turn to the binding force of a membrane remodeling protein complex, ESCRT-III, to cellular membranes. ESCRT-III proteins assemble into membrane-remodeling polymers during many cellular processes, ranging from HIV budding to cytokinesis. The mechanism by which ESCRT-III polymers deform membranes is still unclear. In vitro, ESCRT-III polymers can reshape spherical membrane vesicles into helical tubes. We argue that helical tubes result from the peculiar positioning of membrane-binding sites on the surface of ESCRT-III polymers. Furthermore, we infer the binding force between ESCRT-III and membrane from the geometry of helical tubes.
Des forces intermoléculaires sur lesquelles nous avons peu de connaissances préalables sont souvent essentielles à la stabilité et à l'évolution des assemblages biologiques. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur deux de ces forces qui sont impliquées de façon critique dans la déformation soit des biopolymères, soit des membranes. Nous déduisons ces forces en conciliant la géométrie d'une telle déformation avec des modèles mécaniques simples. Dans la première partie de la thèse, nous examinons la force d'attraction entre les molécules d'ADN médiées par des cations multivalents. Cette attraction est nécessaire pour compenser la rigidité de l'ADN lors du confinement de grandes quantités d'ADN dans des environnements relativement petits, tels que les noyaux des spermatozoïdes. In vitro, les cations multivalents causent la condensation de l'ADN en faisceaux toroïdaux denses. Grâce à des données sur la géométrie de ces faisceaux, nous pouvons étudier la compétition entre les forces attractives et la rigidité de l'ADN. Nous inférons telles forces et proposons que la courbure toroïdale affaiblisse l'adhésion entre les molécules d'ADN. Dans la deuxième partie de la thèse, nous nous intéressons à la force de liaison d'un complexe protéique de remodelage membranaire, ESCRT-III, aux membranes cellulaires. Les protéines ESCRT-III s'assemblent en polymères qui remodèlent la membrane au cours de nombreux processus cellulaires, allant du bourgeonnement du VIH à la cytokinèse. Le mécanisme par lequel les polymères ESCRT-III déforment les membranes n'est toujours pas clair. In vitro, les polymères ESCRT-III peuvent transformer des vésicules membranaires sphériques en tubes hélicoïdaux. Nous proposons que les tubes hélicoïdaux résultent du positionnement particulier des sites de liaison membranaire sur la surface des polymères ESCRT-III. De plus, nous déduisons la force de liaison entre les monomères ESCRT-III et la membrane à partir de la géométrie des tubes hélicoïdaux.
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tel-03018106 , version 1 (22-11-2020)

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  • HAL Id : tel-03018106 , version 1

Cite

Luca Barberi. Inferring forces from geometry in biology. Biological Physics [physics.bio-ph]. Université Paris Saclay (COmUE), 2019. English. ⟨NNT : 2019SACLS438⟩. ⟨tel-03018106⟩

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