Understanding the interaction mechanisms between carbon nanotubes and biological membrane: toxic effects and potential drug carriers
Compréhension des mécanismes d'interaction entre des nanotubes de carbone et une membrane biologique : effets toxiques et vecteurs de médicaments potentiels
Abstract
This thesis concerns the theoretical study of the interaction mechanisms of carbon-based nanostructures with cell membranes, being the essential compound of living cells. This very complex study of the multidisciplinary nature was essentially done using numerical simulations. We have voluntarily spitted this work in two distinct parts. First, we studied the membrane ion channels using molecular dynamics and ab initio approaches. These channel proteins being essential for cell function are also common therapeutic targets for new drugs design. Second, we studied the behavior of pristine and functionalized carbon species such as fullerenes (C60) and nanotubes (CNT) in the presence of the cell membrane. The results focus mainly on passive uptake phenomenon of these potential drugs vectors by biological membranes. The molecular dynamics studies on a very long time scale (sub-1 microseconds) and on very large systems were also the challenge of the IT perspective. To solve the given problematic in the limited time of a single PhD the development of high performance parallel computing CPU/GPU had to be put in place. The obtained results tempt to highlight the toxic role of nanostructures versus previously studied membrane proteins. This thesis naturally opens the way for the study of biocompatible nanocarriers for drug delivery.
Ce travail de thèse concerne l'étude théorique des mécanismes d'interaction de nanostructures à base de carbone avec les membranes cellulaires, constituant l'essentiel des cellules vivantes. Ce sujet très complexe compte tenu de la pluridisciplinarité de la thématique a été essentiellement réalisé à l'aide de simulations numériques. Nous avons volontairement partagé ce travail en deux parties distinctes. Nous avons d'abord étudié le fonctionnement des canaux ioniques à l'aide de la dynamique moléculaire et des études ab-initio. Ces canaux sont d'une part des protéines membranaires essentielles pour la fonction cellulaire, et d'autre part, elles constituent aussi des cibles thérapeutiques fréquentes dans la recherche des nouveaux médicaments. Dans une seconde partie, nous avons étudié le comportement d'espèces carbonées nus et fonctionnalisés tels que les fullerènes (C60) et les nanotubes (CNT) en présence de la membrane cellulaire en analysant finement le mécanisme d'ingestion (ang. uptake) de ces vecteurs de médicaments potentiels par les membranes biologiques. Ces études en dynamique moléculaire sur des temps très longs (sub-1 μs) et sur des systèmes très vastes étaient aussi le challenge du point de vue informatique. Pour palier la problématique dans le temps limitée d'une thèse le développement des calculs parallèles de haute performance CPU/GPU a du être mis en place. Les résultats obtenus tentent de mettre en évidence le rôle toxique que peuvent présentées certaines nanostructures vis-à-vis des protéines membranaires précédemment étudiées. Ce travail de thèse ouvre naturellement la voie à l'étude des nanovecteurs biocompatibles pour la délivrance des médicaments.