Development of a multiscale approach for the study of structural properties and reactivities of complex assemblies of biopolymers : the alginates gels
Développement d'une approche multiéchelle pour l'étude des propriétés structurales et des réactivités d'assemblages complexes de biopolymères : les gels d'alginates
Résumé
Biopolymers are macromolecules formed by the repetition of numerous subunits called monomers and derived from biomass. They constitute a class of materials used in various fields: pharmaceutical and cosmetic industry, tissue engineering, agro-alimentary and medicine. Their availability, price, non-toxicity and biodegradability make these materials a growing topic of interest to the community. The assembly of biopolymers in gels induced by an external factor (metal cations, pH and organic crosslinking agents) is one of their most interesting properties. The optimization of the physico-chemical, micro- and macroscopic properties of the gels necessitates understanding of factors that influence the gel equilibrium structures. Molecular modeling tools applied to study the inter- and intra-molecular interactions in biopolymer assemblies at short and long distances, such as covalent, electrostatic and the Van der Waals interactions or hydrogen bonds, can provide valuable information The effect of temperature and solvent also requires simulations on extended time and space scales. In this sense, a computational approach plays the role of "digital microscope".In this thesis, a multi-scale approach has been developed for the study of a group of polysaccharides: alginates. The formation of alginate/multivalent cation complexes (Alg/Mn+) is a determining step in the entire gelation process. The Density Functional Theory augmented with an empirical London dispersion term (DFT-D) applied to study various models of alginate complexes with divalent (Mn2+, Co2+, Cu2+ and Zn2+) and trivalent (Al3+, Cr3+, Ga3+, Fe3+, La3+ and Sc3+) metal cations led to the following conclusions. The tendency of binding energy of metal cations is independent on : the length and number of alginate chains, the presence of water in the first coordination sphere and the speciation of the metal. In all the hydrated structures, a monodentate mode of binding is established between the cation and the carboxylate groups. Thus, the interaction between cations and alginate depends only on local parameters which can be explained by a significant covalent contribution from the charge donation of carboxylic oxygen ligand atoms to Mn+. The importance of the binding strength for the complexation was confirmed by the DFT-D study of ion exchange using mixed La3+/Cu2+ alginate complexes. The Born-Oppenheimer Molecular Dynamics (BOMD) / Molecular Dynamics (MD) simulations of dimannuronates in water and lanthanum, and aluminum complexes revealed that water prevents the formation of intra-chain hydrogen bonds by solvating the functional groups. In the complexes of lanthanum dimannuronate and aluminum dimannuronate, the radial distribution functions of the carboxylic oxygen atoms confirm the establishment of a monodentate bonding mode. In all simulated complexes, no water molecule separates the metal ion from the ligand, thus forming inner sphere complex.As an alternative to MD simulations, a Monte Carlo parallel tempering method has been implemented in the deMon2k code. The QM/MM and QM/MC methods will also allow the examination of longer chains effect on the transition metal cations complexation by considering the temperature and the explicit aqueous solvent. These computational tools can be used straightforwardly for the study of other polysaccharides and biopolymers.
Macromolécules formées par la répétition de nombreuses sous-unités appelées monomères, les biopolymères sont des polymères issus de la biomasse constituant une classe de matériaux utilisée dans des domaines très divers : industrie pharmaceutique et cosmétique, génie tissulaire, agroalimentaire et médical. Leur disponibilité, leur prix, leur non toxicité et leur biodégradabilité font de ces matériaux un sujet d’intérêt croissant pour la communauté. L’assemblage des biopolymères en gels induit par un facteur externe (cations métalliques, pH, agents réticulants organiques) est une de leurs propriétés les plus intéressantes. Une bonne compréhension de ces assemblages en vue d’optimiser les propriétés physico-chimiques, micro- et macroscopiques des gels passe nécessairement par une modélisation des biopolymères et de leurs interactions inter- et intramoléculaires. Cette modélisation doit être capable de fournir des descriptions précises de la réactivité des molécules et donc des interactions à courtes et longues distances telles que les interactions covalentes, électrostatiques et les liaisons de Van der Waals ou hydrogène. Mais l’effet de la température et du solvant exigent aussi des simulations sur des échelles de temps et d’espace étendues. En ce sens, une approche computationnelle joue le rôle de « microscope numérique ».Dans le cadre de cette thèse, une approche multi-échelle a été élaborée pour l’étude d’un groupe de polysaccharides : les alginates. La formation de complexes alginate/cation multivalent (Alg/Mn+) est une étape déterminante de tout le processus de gélification. L’étude suivant la théorie de la fonctionnelle de la densité avec correction de dispersion (DFT-D) de modèles d’alginates complexant des cations divalents (Mn2+, Co2+, Cu2+ et Zn2+ ) et trivalents (Al3+, Cr3+, Ga3+, Fe3+, La3+ et Sc3+) nous a mené aux conclusions suivantes. La tendance de l’énergie de liaison est indépendante de : la longueur et le nombre des chaines d’alginates, la présence d’eau dans la première sphère de coordination et la spéciation du métal. Dans toutes les structures hydratées, une liaison monodentate entre le cation et les groupements carboxylates est établie. Ainsi, l’interaction entre les cations et l’alginate ne dépend que de paramètres locaux que l’on peut expliquer par une contribution covalente significative provenant de la donation de charges des oxygènes ligands carboxyliques vers Mn+. L’importance de la force de liaison pour la complexation a été confirmée par l’étude DFT-D d’échanges cationiques. Les simulations Born-Oppenheimer Molecular Dynamics (BOMD)/Molecular Dynamics (MD) de dimannuronates dans l’eau et de complexes de lanthane et d’aluminium ont montré que l’eau prévient la formation de liaisons hydrogène intra-chaine en solvatant les groupements fonctionnels polaires. Dans les complexes de dimannuronate de lanthane et de dimannuronate d’aluminium, les fonctions de distribution radiale des atomes d’oxygène carboxyliques confirment l’établissement d’un mode de liaison monodentate. Dans tous les complexes simulés, aucune molécule d’eau ne sépare l’ion métallique et le ligand. Ceux-ci forment donc un complexe à sphère interne. Comme alternative aux simulations MD, une méthode de recuit parallèle Monte Carlo a été implémentée dans le code deMon2k. Les méthodes QM/MM et QM/MC permettront aussi d’examiner l’effet de chaines plus longues sur la complexation de cations de métaux de transition en considérant la température et le solvant aqueux explicite. Ces outils computationnels pourront être utilisés directement pour l’étude de différents polysaccharides et biopolymères.
Origine : Version validée par le jury (STAR)