La compréhension physique des processus biologiques tels que la transcription nécessite de bien connaître la physique de l'ADN double brin. Une de ses propriétés thermodynamiques remarquable est sa dénaturation à une température particulière, lors de laquelle il se déroule et se sépare en deux brins après avoir formé des bulles (segments de paires de bases ouvertes consécutives). La dynamique de dénaturation à jusqu'ici été étudiée à l'échelle de la paire de base, ignorant ainsi les degrés de libertés de la chaîne. Ces études n'expliquent pas les temps de fermeture très longs, de 20 à $100 mu$s, mesurés par Altan-Bonnet et al. à température ambiante pour des bulles de 18 paires de bases.
Dans cette thèse, nous nous interessons à la fermeture de grandes bulles de dénaturation thermalisées, à l'aide de simulations de dynamique Brownienne d' un modèle simple "gros grains" de l'ADN. Nous montrons que la fermeture se fait en deux temps : d'abord, la bulle initiale se ferme rapidement jusqu'à ce qu'elle atteigne un état métastable, causé par les grandes énergies de courbure et de torsion emmagasinées dans la bulle. Ensuite, la fermeture de la bulle metastable se fait, en fonction de la longueur de l'ADN et des paramètres élastiques, soit après la diffusion rotationnelle des "bras" rigides jusqu'à alignement de ceux-ci, soit lorsque la bulle a diffusée jusqu'à un bout de la chaîne, ou soit localement lors d'une activation thermique. Nous montrons ainsi que la mécanisme physique associé à ces longs temps de fermeture est le couplage entre les degrés de liberté d'appariement et de conformations de l'ADN. |
The physical understanding of biological processes such as transcription requires the knowledge of double-stranded DNA (dsDNA) physics. A notable thermodynamic property of dsDNA is its denaturation, at the melting temperature, in which it unwinds into two single-stranded DNAs via the formation of denaturation bubbles (segment of consecutive unpaired base-pairs). The dynamics of denaturation has been studied so far at the base-pair (bp) scale, ignoring conformational chain degrees of freedom. These studies do not explain the very long closure times of 20 to 100 μs, measured by Altan-Bonnet et al., of 18 bps long bubbles at room temperature. In this thesis, we study the closure of pre-equilibrated large bubbles, by using Brownian dynamics simulations of two simple DNA coarse- grained models. We show that the closure occurs via two steps: first, a fast zipping of the initial bubble occurs until a meta-stable state is reached, due to the large bending and twisting energies stored in the bubble. Then, the meta-stable bubble closes either via rotational diffusion of the stiff side arms until their alignment, or bubble diffusion until it reaches the chain end, or locally by thermal activation, depending on the DNA length and elastic moduli. We show that the physical mechanism behind these long timescales is therefore the dynamical coupling between base-pair and chain degrees of freedom. |