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Theses Year : 2021

Intracellular spatial organisation : The effects of non-ideal solutions

Organisation spatiale intracellulaire : Les effets des solutions non idéales

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Abstract

In the cytoplasm of a biological cell there are a myriad of different proteins, lipids and enzymes, each of them performing different tasks. The spatial organisation of these chemical species is crucial for the correct functioning of a cell.In the first part of this thesis we will explore, from a theoretical perspective, two processes where the intracellular medium is patterned and organised, whose common feature is the fact that they both stem from the collective behaviour of a large number of molecules. First, we develop a model for protein aggregation which studies the effect of intracellular obstacles on the coagulation kinetics. Our predictions are then successfully compared with experimental data obtained by our collaborators.The other example refers to the compaction and location of the bacterial chromosome. We suggest that the chromosome segregates from the rest of the cytoplasm, because of steric interactions between DNA and the intracellular crowders, by means of a mechanism reminiscent of liquid-liquid phase separation. Moreover, our study indicates that spatial localisation of the chromosome within the cell is dictated by out-of-equilibrium transcription of mRNAs (which are part of the crowding effect). Our model successfully reproduces the localisation pattern of the Escherichia coli chromosome, which is positioned at the center of the cell before the division of the chromosome and at 1/4 and 3/4 of the cell after division.Building on these examples, in the second part of the thesis we construct a thermodynamically consistent framework to mathematically describe chemical-reaction networks in non-ideal solutions. This framework allows us to generalize the results from the classical theory of ideal networks, and aids in elucidating the connection between out-of-equilibrium chemical reactions and phase separation for a large class of networks, known as complex-balanced networks. Complex-balanced networks are is a class of chemical reaction networks that is less restrictive than detailed-balanced ones. Given that complex balancing can be fully determined from the topology of the network, we discuss how this topological property of the network can constrain the dynamics of the solution, and what behaviour one can expect when complex balancing is broken.
Le cytoplasme d’une cellule est constitué d’une myriade de constituants comme des protéines des lipides et des enzymes. Chacune de ces molécules jouent un rôle bien spécifique au sein de la cellule, ce qui requiert un contrôle précis de leurs position spatiale.Dans la première partie de cette thèse nous proposons une explication théorique à deux processus où le milieu intracellulaire est organisé spatialement sous forme de motifs. Ces processus découlent tous deux du comportement collectif de ces molécules. Nous développons dans un premier temps un modèle qui a pour but d’étudier l’impact de l’encombrement stérique intracellulaire sur la cinétique d’agrégation de ces protéines. Nous montrons ensuite que les prédictions de ce modèle corrèlent de manière satisfaisant avec les données expérimentales de nos collaborateurs.Dans un deuxième temps, nous étudions la compaction et la localisation spatiale du chromosome de la bactérie Escherichia coli (E. coli). Nous expliquons la condensation du chromosome par les répulsion stériques entre l’ADN et d’autres macromolécules comme les ARNs messagers ou les ribosomes. Cette transition de phase s’assimile d’un point de vue théorique à la démixtion entre deux liquides. La localisation particulière du genome d’E. coli est quand-à-elle expliquée par l’activité transcriptomique des ARNs messagers. Cette hypothèse nous permet de reproduire la signature spécifique du chromosome d’E. coli in vivo, situé à la moitié de la cellule avant la division du chromosome et au quart et au trois quarts après sa division.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous construisons un cadre thermodynamique pour décrire les réseaux de réactions chimiques au sein de solutions non idéales. Cette approche nous permet de généraliser certains résultats de la théorie des réseaux de réactions chimiques idéales. De plus, ce cadre aide à formaliser les connections entre les réactions chimiques hors-équilibre et les séparations de phase pour les réseaux de type «complex-balanced». Ces derniers offrent un cadre moins restrictif à la théorie des réseaux de type «detailed-balanced». Nous caractérisons les réseaux de type «complex-balanced» par leur topologie. Nous montrons alors que cette topologie peut contraindre la dynamique des solutions. À l’inverse, notre théorie prédit que lorsque le réseau n’est plus de type «complex-balanced» des dynamiques plus exotiques comme celles des types «Ostwald ripening arrest» peuvent apparaître.
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tel-03521631 , version 1 (11-01-2022)

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  • HAL Id : tel-03521631 , version 1

Cite

Ander Movilla Miangolarra. Intracellular spatial organisation : The effects of non-ideal solutions. Physics [physics]. Université Paris sciences et lettres, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPSLS076⟩. ⟨tel-03521631⟩
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