Translocationpolymde erescourets longs a travers un pore interactif

A cause de l’asymetrie geometrique et electrique de l’ -hemolysine, la translocation a travers ce nanopore depend du c^ote par lequel la macro-molecule entre dans le pore. Il a et montre experimentalement que des molecules d’ADN simple brin (chargees negativement) entrent plus frequem-ment dans l’ -hemolysine lorsqu’elles se presentent du c^ote vestibule du pore que lorsqu’elles se presentent du c^ote tige [46]. Deux raisons peuvent expli-quer ce resultat : le diametre plus large de l’entree du vestibule permet a l’ADN de rentrer plus facilement ; la charge negative de l’entree de la tige re-pousse l’ADN charge negativement, tandis que la charge positive de l’entree du vestibule est attractive. D’autres experiences ont montre qu’une modi-cation de la distribution de charges dans le pore d’ -hemolysine a ecte signi cativement le transport d’ADN simple brin [60], de polypeptides [50] ou de proteines [55] a travers le pore. En particulier la position de la modi-cation de charge dans le pore joue un r^ole crucial. Il est cependant di cile experimentalement de decoupler les e ets d^us a l’asymetrie geometrique et a l’asymetrie d’interaction du pore. Le premier aspect du travail present dans ce chapitre a consiste a etudier par simulation informatique l’e et de la position de l’interaction sur la translocation de polymeres dans un pore sans asymetrie geometrique.
Independamment des e ets d’asymetrie du pore, l’in uence de la lon-gueur de la molecule a transloquer a aussi et etudiee experimentalement. Le passage d’ADN simple brin de di erentes longueurs a travers l’ -hemolysine a revel l’existence de deux regimes dans la relation entre le temps de residence et la longueur de l’ADN [29]. Le changement de comportement est observ lorsque l’ADN devient trop long pour ^etre loge entierement dans le pore. Dans le cas des longs brins, le temps de residence augmente lineairement avec la longueur de l’ADN. Ce resultat a et reproduit par un modele theorique [121] et des simulations informatiques [136]. Le regime lineaire des longs brins y est attribue a une contribution entropique supple – mentaire venant de la portion d’ADN qui depasse du pore pendant la translo-cation [136]. Cependant les modeles utilises considerent le pore d’ -hemolysine comme interagissant uniformement sur toute sa longueur avec la molecule qui le traverse. L’asymetrie du pore est donc ignoree alors que l’importance de la position de la zone d’interaction a et mise en evidence.
Nous avons realis des simulations informatiques de translocation pour etudier simultanement l’e et de la position de l’interaction molecule/pore et l’e et de la longueur de la molecule sur la translocation. Ce travail est decrit dans l’article [31] qui suit, publie dans The Journal of Chemical Physics en 2013.
Comme dans de nombreux travaux de simulation anterieurs [97, 126, 141], notre systeme est limite a deux dimensions. Nous avons utilise un modele \a gros grain » qui contient les elements principaux des experiences de translocation, sans chercher a reproduire les details d’une experience par-ticuliere. Nous ne pretendons pas faire de comparaison quantitative avec une experience reelle donnee, nous cherchons plut^ot a degager des e ets quali-tatifs. Nous avons simule la translocation d’un homopolymere a travers un pore rectangulaire. Le pore est etroit, le polymere ne peut le traverser qu’en etant etire, les monomeres se deplacant en le indienne. Les parois du pore sont impenetrables et certaines portions de paroi peuvent ^etre attractives pour le polymere. De plus dans le pore les monomeres ressentent l’e et d’une force exterieure qui aide leur traversee. Cette force peut representer l’action d’un champ electrique sur un polymere charge ou l’entra^nement par un ot electro-osmotique. Les valeurs des parametres sont dans la gamme typiquement utilisee dans la litterature.
Nous avons test l’entree d’un polymere dans un pore dont seule une extremit est attractive. Nous avons mesur la probabilite que le polymere entre dans le pore dans le cas ou il se presente a l’extremit attractive du pore, et dans le cas ou il se presente a l’autre extremit . Naturellement nous avons observ que la probabilite d’entree est plus grande du c^ote attractif. Cela montre qu’une interaction asymetrique entre le polymere et le pore, decouplee de toute asymetrie geometrique du pore, est su sante pour pro-voquer des di erences dans la probabilite d’entree. Nous avons observ que la probabilite d’entree ne depend quasiment pas de la longueur du polymere, quel que soit le c^ote d’entree.
Nous avons examin le temps de residence du polymere dans le pore en fonction de la longueur du polymere. Nous avons etudi trois positions d’interaction polymere/pore di erentes : un pore uniformement attractif, un pore dont seule une extremit est attractive dans le cas ou le polymere se presente du c^ote attractif et le m^eme pore dans le cas ou le polymere se presente a l’autre extremit . Avec nos valeurs de parametres, la grande ma-jorite des evenements sont des translocations, c’est-a-dire que le polymere traverse le pore. Les quelques evenements ou le polymere ressort du pore du c^ote par lequel il est entr ne modi ent pas les resultats et nous pouvons confondre temps de residence et de translocation. Les temps de transloca-tion sont plus longs dans le cas du pore uniformement attractif, ce qui est naturel puisque la zone d’attraction est plus grande. Quelle que soit la po-sition de l’interaction, nous avons observ l’existence de deux regimes dans la relation entre le temps de translocation et la longueur du polymere. En accord avec les resultats experimentaux, le temps de translocation augmente lineairement avec la longueur du polymere lorsque celui-ci est plus long que le pore. Pour trouver l’origine de cet e et, nous avons decompos le temps de translocation en trois etapes : remplissage du pore, transfert a travers le pore et vidange du pore. Ceci revele que le comportement lineaire dans le regime des longs polymeres est d^u au temps de transfert a travers le pore, quelle que soit la position de l’interaction. Pendant cette phase, chaque sor-tie d’un monomere du c^ote nal s’accompagne de l’entree d’un monomere du c^ote initial. Les contributions entropiques de con nement/decon nement ainsi que les variations d’energie d’interaction avec le pore sont ainsi annulees, et le polymere circule dans le pore a vitesse constante sous l’e et de la force exterieure. Ceci remet en cause l’argument entropique utilise precedemment [136].
A la vue de ces resultats, nous avons reexamin les resultats experimentaux de translocation de polymeres PEG (poly(ethylene glycol)) de di erentes longueurs dans l’ -hemolysine [88]. Bien que le PEG soit initialement neutre, il a et montre qu’il pouvait capter des cations en solution dans certaines conditions et ainsi se comporter comme un polymere charge positivement [103]. Nous avons identi le m^eme changement de regime dans la relation entre le temps de residence et la longueur du PEG, alors que les resultats avaient et interpretes precedemment avec un seul regime [88]. Le temps de residence augmente lineairement pour des PEG contenant plus de 38 monomeres, et ce pour chaque valeur de voltage utilisee dans l’experience.
En n nous avons sonde la dynamique de translocation d’un polymere a travers un pore uniformement attractif. Nous avons selectionn un evenement de translocation dont la duree est proche de la duree la plus probable ob-servee. Nous avons mesur l’evolution temporelle du nombre de monomeres dans le compartiment a l’entree du pore, dans le pore et dans le compar-timent a la sortie du pore. Malgre nos conditions de champ fort pour les-quelles la grande majorite des polymeres qui entrent dans le pore parviennent a le traverser, la traversee ne se fait pas dans un mouvement continu. Au contraire il s’agit plut^ot d’une succession d’avancees et de pauses, ce qui avait deja et observ dans d’autre simulations [142, 143]. Les resultats suggerent que lorsque peu de monomeres sont dans le pore (juste apres l’entree des premiers monomeres ou juste avant la sortie des derniers) la progression du polymere est dominee par le mouvement collectif des monomeres con nes dans le pore, et non par la force exterieure qui est alors trop faible. Ces monomeres qui ne peuvent circuler qu’en le indienne doivent attendre que leurs voisins liberent de l’espace pour pouvoir progresser, ce qui donne lieu a un mouvement collaboratif.
Pour conclure nous avons montre a l’aide de simulations informatiques l’importance de la position de l’interaction entre la molecule et le pore dans le processus de translocation. La frequence d’entree est naturellement fa-vorisee lorsque l’entree du pore est attractive. Les temps de residence sont qualitativement et quantitativement modi es par la position de l’interac-tion. Cependant, quelle que soit la position de l’interaction, on observe une augmentation lineaire du temps de residence avec la longueur du polymere lorsque le polymere devient plus long que le pore. Ce phenomene a et iden-ti e dans les resultats experimentaux de translocation d’ADN simple brin et de polymeres PEG dans le pore d’ -hemolysine. Nous avons identi l’ori-gine de ce comportement qui di ere des precedentes interpretations. Nous avons mis en evidence que lorsque la force agissant sur le polymere est faible, ce qui est le cas de nombreuses experiences de translocation, la progression du polymere est dominee par le mouvement collaboratif des monomeres con nes dans le pore.