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Thèse Année : 2021

Modeling the orientation of enzymes adsorbed on electrode surfaces for green energy production

Modélisation de l'orientation d'enzymes adsorbées sur surface d'électrode pour la production d'énergie verte

Nicolas Bourassin
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1144658
  • IdRef : 263175251

Résumé

The primary subject of this thesis work is the modelling of enzymes adsorbed on a functionalized metallic surface in order to improve sustainable energy producing devices, such as biofuel cells. In the framework of ENZYMOR ANR ((in collaboration with the team Bioénergétique et Ingénierie des Protéines - UMR 7281 - Marseille directed by Elisabeth Lojou; and the team Chimie Biologie des Membranes et Nano-objets - UMR 5248 - Bordeaux ) project, I conducted this study at the Laboratoire de Biochimie Théorique (Laboratory of Theoretical Biochemistry) using theoretical approaches including classical molecular dynamics and Brownian dynamics. Firstly, the conducted simulations aimed to establish a protocol to identify the likely stable orientations of adsorbed enzymes. Secondly, the analysis of obtained trajectories allowed me to highlight the trade-off between a high stability of adsorption and the impact on enzyme’s catalytic function. All-atom molecular dynamics and coarse-grain spring-network modeling are two complementary approaches. Indeed, all-atom molecular dynamics allows to determine the adsorption orientation of a protein on an inorganic surface and thus which amino acids interact with this surface. This information is necessary to implement the coarse-grain spring-network modeling, which in turn allows us to verify whether the adsorption configuration of the protein is likely to disrupt its internal mechanics and thus jeopardize its catalytic activity. The data obtained at the protein scale via this multi-scale methodology are intended to be complementary to the experimental data in order to better understand the studied system, and to propose adjustments to improve the renewable energy production devices.
Le sujet principal de ce travail de thèse est la modélisation d’enzymes adsorbées sur une surface métallique fonctionnalisée par une monocouche auto-assemblée (ou SAM) afin d’améliorer des dispositifs de production d’énergie renouvelable, tels que les biopiles à combustibles. Dans le cadre du projet ANR ENZYMOR (en collaboration avec l'équipe Bioénergétique et Ingénierie des Protéines - UMR 7281 - Marseille dirigée par Elisabeth Lojou ; ainsi que l'équipe Chimie Biologie des Membranes et Nano-objets - UMR 5248 - Bordeaux dirigée par Sophie Lecomte), j’ai mené cette étude au sein de l’équipe du Laboratoire de Biochimie Théorique via des approches théoriques incluant dynamique moléculaire classique et dynamique brownienne. Premièrement, les simulations effectuées visaient à établir un protocole afin d’identifier les orientations probables d’enzymes adsorbées de façon stable. Deuxièmement, l’analyse des trajectoires obtenues m’a permis de mettre en évidence la nécessité de trouver un compromis entre une stabilité d’adsorption élevée et l’impact sur la fonction catalytique de l’enzyme. La dynamique moléculaire tout-atome et la modélisation à l'échelle gros-grain par réseau de ressorts sont deux approches complémentaires. En effet, la dynamique moléculaire tout-atome permet de déterminer l’orientation d’adsorption d’une protéine sur une surface inorganique et donc quels sont ses acides aminés interagissant avec ladite surface. Cette information est nécessaire pour mettre en oeuvre la modélisation à l'échelle gros-grain par réseau de ressorts, qui quant à elle permet de vérifier si la configuration d'adsorption de la protéine est susceptible de perturber sa mécanique interne et ainsi de mettre en péril son activité catalytique. Les informations obtenues à l'échelle de la protéine via cette méthodologie multi-échelle sont destinées à être complémentaires des données expérimentales afin de mieux connaître le système étudié, et de proposer des ajustements pour améliorer les dispositifs de production d'énergie renouvelable.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03703666 , version 1 (24-06-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03703666 , version 1

Citer

Nicolas Bourassin. Modélisation de l'orientation d'enzymes adsorbées sur surface d'électrode pour la production d'énergie verte. Chimie théorique et/ou physique. Université Paris Cité, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UNIP7106⟩. ⟨tel-03703666⟩
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