Phase Transitions Theory and applications to Biophysics - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2016

Phase Transitions Theory and applications to Biophysics

Théorie des transitions de phase et applications à la biophysique

Résumé

The manuscript is divided in two parts. The Part I deals with Topological Theory of phase transitions and is composed of two chapters:   chapter 1 is a review chapter where some basic facts of the theory of phase transitions (PTs) in classical systems, and of the Topological Theory of phase transitions are reported;   chapter 2 is a chapter where original results are reported concerning the re nement of the Topological Theory of phase transitions in response to recent criticisms. These contributions included the de nition of a concept of asymptotic di eomorphicity of the equipotential level sets of con guration space (thus di eomorphicity in the thermodynamic limit), the interpretation of microcanonical thermodynamics in terms of geometrical properties of the mentioned level sets, and the application of a recently developed computational tool in algebraic topology, called persistent homology, to the investigation of the topological counterpart of phase transitions. The Part II deals with di erent contributions given to the research concerning the longrange electrodynamic interactions among biomolecules. It is divided into  ve chapters:   chapter 3 is a review chapter where the state of the art of the research on selective longrange electrodynamic interactions among biomolecules is reported. The main theoretical background of the ongoing research is presented; in particular, some main aspects of the so called Frohlich condensation are reviewed;   chapter 4 is a chapter were an original derivation of Frohlich-like rate equations is presented for a system of classical harmonic oscillators representing the vibrational *modes of a generic biomolecule. A discussion of the stationary solutions of these equations for some simple cases is reported;   chapter 5 reports the original experimental results (and their interpretation) obtained with non-standard techniques of THz spectroscopy, on a "model" protein (BSA). These observations provide a  rst evidence of a Frohlich-like phonon condensation phenomenon of a biomolecule in watery solution;   chapter 6 presents a numerical and theoretical investigation concerning the possibility to detect the presence of long-range interactions among biomolecules by studying their di usion properties in solution. This also includes the study of the e ects of mutual interactions on the dynamical chaoticity and spatial ordering of the systems;   chapter 7 deals with the validation of Fluorescence Correlation Spectroscopy by means of numerical simulations of molecular dynamics. the FCS technique is shown to be a fruitful technique to detect the presence of built-in (in the sense of non-externally activated) long-range interactions among biomolecule in watery solutions.
Le manuscrit est divise en deux parties. La Partie I traitant de la Theorie Topologique de transitions de phase est compos ee de deux chapitres:   le Chapitre 1 est un chapitre où sont presentés les fondements de la theorie des transitions de phase dans des syst emes classiques et de la Th eorie Topologique concernant l'origine des transitions de phase;   dans le Chapitre 2 des nouveaux resultats sont rapport es concernant le ra nement de la Th eorie Topologique des transitions de phase en r eponse aux critiques r ecentes. Ces contributions incluent la d e nition d'un concept de di  eomorphicit e asymptotique des hypersurfaces equipotentielles dans l'espace des con gurations, l'interpr etation de la thermodynamique microcanonique en termes des propri et es g eom etriques des hypersurfaces equipotentielles mentionn ees et l'application d'un outil informatique r ecemment d evelopp e dans le domaine de la topologie alg ebrique, appel e homologie persistante,  a l' etude de la signature topologique des transitions de phase. La Partie II pr esente mes contributions  a la recherche sur les interactions  electrodynamiques  a longue port ee parmi les biomol ecules. Elle est divis ee en cinq chapitres:   Le Chapitre 3 est un chapitre d' etat de l'art de la recherche sur des interactions  electrodynamiques  a longue port ee s electives entre biomolecules. Le contexte th eorique principal de la recherche en cours est pr esent e; en particulier quelques aspects principaux de la th eorie de la condensation de Frohlich sont rappel es;   le chapitre 4 presente une d emonstration inedite des  equations de Frohlich pour un syst eme d'oscillateurs harmoniques classiques repr esentant les modes vibratoires d'une biomolecule g en erique. Une discussion des solutions stationnaires de ces  equations pour quelques cas simples est rapport ee;   le chapitre 5 pr esente les r esultats exp erimentaux nouveaux (et leur interpr etation) obtenus avec des techniques alternatives de spectroscopie THz, sur une prot eine "mod ele"(BSA). Ces exp eriences fournissent une premi ere observation de la condensation de Frohlich dans des biomolecules en solution aqueuse;   le chapitre 6 pr esente une  etude num erique et th eorique concernant la possibilit e de d etecter la pr esence d'interactions  a longue port ee entre biomolecules en  etudiant leurs propri et es de di usion dans la solution. Ceci inclut aussi l' etude des e ets d'interactions mutuelles sur le chaos dynamique et l'ordre spatial dans ces syst emes;   le chapitre 7 traite de la validation de la technique de FCS avec des simulations num eriques de dynamique mol eculaire. On montre que la technique FCS peut ^etre une technique e - cace pour d etecter la pr esence des interactions  a longue port ee av er ees (ne n ecessitant pas d'activation) comme, par exemple, les interactions coulombiennes  electrostatiques entre biomolecules en solution aqueuse.
Fichier principal
Vignette du fichier
PhdThesisMatteoGori_Corr.pdf (18.54 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03598298 , version 1 (04-03-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03598298 , version 1

Citer

Matteo Gori. Phase Transitions Theory and applications to Biophysics. Physics [physics]. Aix-Marseille Université (AMU); Centre de Physique Théorique - UMR 7332, 2016. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03598298⟩
36 Consultations
6 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More