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Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (06/07/2010), Stéphane Régnier (Dir.)
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Étude et analyse de l'ADN pour l'auto-assemblage microscopique
Ahlem Abbaci1

L'assemblage d'objets microscopiques est actuellement un verrou majeur au c÷ur de domaines aussi importants et variés que les nanosciences, les MEMs ou la médecine. Le projet européen GOLEM s'inscrit dans une démarche novatrice pour résoudre cette problématique et propose d'utiliser des processus biologiques pour assembler des micro-objets de façon parallèle. Dans le cadre de ce projet, cette thèse aborde l'étude et l'analyse des méthodes d'assemblage bioinspirées pour assembler de façon réversible et contrôlée ces objets. L'approche proposée est multidisciplinaire, puisqu'il s'agit d'exploiter des connaissances issues de la biologie dans un contexte microrobotique. Le rapprochement entre ces deux domaines est une étape importante pour les développements futurs en micro et nanotechnologies et ouvre des perspectives intéressantes. Le choix de processus biologiques pour assurer l'assemblage de façon sélective et contrôlable entre les objets est crucial dans ce travail, et dépendent de deux propriétés fondamentales identitées : la stabilité et la spéci cité de l'interaction biologique. La stabilité concerne la capacité des composants à garder un état assemblé, sur une période de temps donnée et dans un environnement déstructuré. La spécificité concerne la reconnaissance mutuelle entre les composants à assembler. L'intégration de ces propriétés dans un processus d'assemblage rend envisageable la conception d'une méthode d'auto-assemblage, massive et parallèle, où les diférents composants, formant un système complexe, se positionnent et s'assemblent dans un processus stochastique sans intervention individuelle. L'intégration des ces propriétés biologiques sur la matière inorganique est abordée en plusieurs étapes : le choix d'un processus biologique, dont la stabilité et la spéci cité sont intrinsèques et contrôlables, l'étude théorique et expérimentale de la stabilité et la spéci cité de cette adhésion biologique sur des composants fonctionalisés, et la détermination des paramètres des contrôle de l'assemblage et leur optimisation. Ainsi, cette thèse cherche dans un premier temps à analyser les di érents travaux dans le domaine et principalement l'auto-assemblage aux échelles micro et nanoscopiques. Cet état de l'art multidisciplinaire ouvre sur le choix de l'ADN avec ses propriétés particulières, capables de répondre aux besoins de l'auto-assemblage. Les propriétés de stabilité et de spécificité du processus d'hybridation d'ADN sont ensuite étudiées. La stabilité est abordée selon deux angles, l'échelle individuelle et l'échelle populationnelle. L'échelle individuelle s'intéresse à l'interaction entre deux brins d'ADN simple avec une approche empruntée aux travaux en modélisation moléculaire. L'échelle d'étude est ensuite élargie à deux populations de brins complémentaires, fixées sur des surfaces à assembler. Cette configuration géométriquement contrainte est étudiée avec une approche thermodynamique au regard des différents paramètres extrinsèques comme la température et la concentration saline du milieu. Cette thèse aborde aussi la validation expérimentale des modèles développés. Dans un premier temps, un modèle est proposé pour coupler les résultats exprimés en termes d'énergie et les mesures expérimentales en termes de force. La première campagne expérimentale effectuée à Londres au NPL cherche à déterminer la stabilité de l'hybridation. Des outils méthodologiques d'analyse statique et énergétique sont mis en place pour l'appréhender et la quantiffier. La méthode énergétique est originale et couple des outils de simulation, de prédiction et d'analyse. Elle montre ainsi que la stabilité et la spécifficité sont intrinsèquement liées par la composition de la séquence en bases azotées des brins d'ADN. Il apparaît donc que celle-ci peut être optimisée pour produire des configurations plus favorables statistiquement. Un algorithme original de génération de séquences, basé sur le caractère programmable de l'ADN, est alors proposé pour disposer de couples de brin d'ADN dont les propriétés de stabilités et de spécifficités sont optimisées. Une validation expérimentale est ensuite entreprise en collaboration avec le laboratoire AMIR à Oldenburg en Allemagne. Ces expériences valident l'approche de conception de séquences et met en évidence l'inffluence de paramètres clefs comme la vitesse d'approche et le temps d'attente sur l'assemblage. Le premier chapitre est ainsi dédié à un état de l'art en auto-assemblage et couvre plusieurs domaines. Il vise à proposer une approche synthétique des différents thèmes de recherche abordés dans ce travail. Le deuxième chapitre aborde l'étude des propriétés de stabilité et de spécifficité à travers une modélisation multi-échelle et les paramètres de contrôle et environnementaux. Le troisième chapitre s'intéresse à la validation expérimentale et propose des méthodes d'analyse statistique et énergétique originales pour comprendre et classifier les interactions en termes de stabilité et de spécifficité. Le dernier chapitre s'attache à définir l'outil logiciel développé pour concevoir des séquences spéci ques optimisées du point de vue de l'auto-assemblage. Une seconde validation expérimentale est entreprise et montre l'intérêt de cette approche, l'optimisation des propriétés fondamentales de stabilité et de spécifficité pour résoudre le problème de l'auto-assemblage d'objets microscopiques à partir de l'ADN.
1:  ISIR - Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique
ADN

Study and analysis of the DNA for the microscopic auto-assembly
L'assemblage d'objets microscopiques est actuellement un verrou majeur au c÷ur de domaines aussi importants et variés que les nanosciences, les MEMs ou la médecine. Le projet européen GOLEM s'inscrit dans une démarche novatrice pour résoudre cette problématique et propose d'utiliser des processus biologiques pour assembler des micro-objets de façon parallèle. Dans le cadre de ce projet, cette thèse aborde l'étude et l'analyse des méthodes d'assemblage bioinspirées pour assembler de façon réversible et contrôlée ces objets. L'approche proposée est multidisciplinaire, puisqu'il s'agit d'exploiter des connaissances issues de la biologie dans un contexte microrobotique. Le rapprochement entre ces deux domaines est une étape importante pour les développements futurs en micro et nanotechnologies et ouvre des perspectives intéressantes. Le choix de processus biologiques pour assurer l'assemblage de façon sélective et contrôlable entre les objets est crucial dans ce travail, et dépendent de deux propriétés fondamentales identitées : la stabilité et la spéci cité de l'interaction biologique. La stabilité concerne la capacité des composants à garder un état assemblé, sur une période de temps donnée et dans un environnement déstructuré. La spécificité concerne la reconnaissance mutuelle entre les composants à assembler. L'intégration de ces propriétés dans un processus d'assemblage rend envisageable la conception d'une méthode d'auto-assemblage, massive et parallèle, où les diférents composants, formant un système complexe, se positionnent et s'assemblent dans un processus stochastique sans intervention individuelle. L'intégration des ces propriétés biologiques sur la matière inorganique est abordée en plusieurs étapes : le choix d'un processus biologique, dont la stabilité et la spéci cité sont intrinsèques et contrôlables, l'étude théorique et expérimentale de la stabilité et la spéci cité de cette adhésion biologique sur des composants fonctionalisés, et la détermination des paramètres des contrôle de l'assemblage et leur optimisation. Ainsi, cette thèse cherche dans un premier temps à analyser les di érents travaux dans le domaine et principalement l'auto-assemblage aux échelles micro et nanoscopiques. Cet état de l'art multidisciplinaire ouvre sur le choix de l'ADN avec ses propriétés particulières, capables de répondre aux besoins de l'auto-assemblage. Les propriétés de stabilité et de spécificité du processus d'hybridation d'ADN sont ensuite étudiées. La stabilité est abordée selon deux angles, l'échelle individuelle et l'échelle populationnelle. L'échelle individuelle s'intéresse à l'interaction entre deux brins d'ADN simple avec une approche empruntée aux travaux en modélisation moléculaire. L'échelle d'étude est ensuite élargie à deux populations de brins complémentaires, fixées sur des surfaces à assembler. Cette configuration géométriquement contrainte est étudiée avec une approche thermodynamique au regard des différents paramètres extrinsèques comme la température et la concentration saline du milieu. Cette thèse aborde aussi la validation expérimentale des modèles développés. Dans un premier temps, un modèle est proposé pour coupler les résultats exprimés en termes d'énergie et les mesures expérimentales en termes de force. La première campagne expérimentale effectuée à Londres au NPL cherche à déterminer la stabilité de l'hybridation. Des outils méthodologiques d'analyse statique et énergétique sont mis en place pour l'appréhender et la quantiffier. La méthode énergétique est originale et couple des outils de simulation, de prédiction et d'analyse. Elle montre ainsi que la stabilité et la spécifficité sont intrinsèquement liées par la composition de la séquence en bases azotées des brins d'ADN. Il apparaît donc que celle-ci peut être optimisée pour produire des configurations plus favorables statistiquement. Un algorithme original de génération de séquences, basé sur le caractère programmable de l'ADN, est alors proposé pour disposer de couples de brin d'ADN dont les propriétés de stabilités et de spécifficités sont optimisées. Une validation expérimentale est ensuite entreprise en collaboration avec le laboratoire AMIR à Oldenburg en Allemagne. Ces expériences valident l'approche de conception de séquences et met en évidence l'inffluence de paramètres clefs comme la vitesse d'approche et le temps d'attente sur l'assemblage. Le premier chapitre est ainsi dédié à un état de l'art en auto-assemblage et couvre plusieurs domaines. Il vise à proposer une approche synthétique des différents thèmes de recherche abordés dans ce travail. Le deuxième chapitre aborde l'étude des propriétés de stabilité et de spécifficité à travers une modélisation multi-échelle et les paramètres de contrôle et environnementaux. Le troisième chapitre s'intéresse à la validation expérimentale et propose des méthodes d'analyse statistique et énergétique originales pour comprendre et classifier les interactions en termes de stabilité et de spécifficité. Le dernier chapitre s'attache à définir l'outil logiciel développé pour concevoir des séquences spéci ques optimisées du point de vue de l'auto-assemblage. Une seconde validation expérimentale est entreprise et montre l'intérêt de cette approche, l'optimisation des propriétés fondamentales de stabilité et de spécifficité pour résoudre le problème de l'auto-assemblage d'objets microscopiques à partir de l'ADN.
ADN