Bio-inspired design from the bottom-up : Catalysis and Self-Assembly through Folding
Conception bio-inspirée par approche ascendante : catalyse et auto-assemblage par repliement
Résumé
In this thesis we investigate the design principles for catalysis and self-assembly through folding, using coarse-grained physical models of spherical particles interacting via programmable potentials.Catalysis, the acceleration of chemical reactions by molecules that are not consumed in the reaction, is central to living organisms and a cornerstone of the chemical industry. Despite its ubiquity, the geometrical and physical constraints that give rise to catalysis are not fully understood. Furthermore, there is no theoretical framework to rationally design catalysis from scratch. Consequently, elucidating the design principles of efficient catalysis remains a major challenge, with artificial enzymes failing to meet the capabilities of their natural counterparts. Here we introduce a theoretical framework for bottom-up catalysis design based on the theory of First-Passage Times and apply the framework to design a minimal catalyst that accelerates dissociation reactions in a model based on artificial chemistry. We show that a minimal rigid dimer accelerates the cleaving of a bond in a narrow range of the parameter space spanned by the geometry and physical interactions of the catalyst with the substrate, as well as the reaction conditions. Our results open the door to the design of self-regulated artificial systems with bio-inspired functionalities.Self-assembly refers to the process in which subunits autonomously organise into orderly patterns and functional structures. An efficient self-assembly strategy is embodied by natural proteins, which reversibly fold into their native state starting from a chain with a specific amino acid sequence. The prevailing self-assembly strategy is the assembly from a gas of particles. Instead, in this work we introduce a new paradigm for materials design by studying the folding of short, freely-jointed colloidal chains, colloidomers, where interactions are mediated by DNA. Control over the final folded state is achieved by designing non-equilibrium temperature protocols which funnel the polymer configuration space, guiding the folding of the chain towards a unique geometry that we call a (colloidal) foldamer. In order to systematically identify all foldamer solutions, we develop an algorithm that selects unique folds in two dimensions by searching in sequence, particle species and interaction space. Our approach reveals folding modes reminiscent of those proposed in the context of proteins and allows for the design of novel supra-colloidal building blocks.
Dans cette thèse, nous étudions les principes de conception pour la catalyse et l'auto-assemblage par repliement, en utilisant des modèles physiques à gros grains de particules sphériques interagissant via des potentiels programmables.La catalyse, l'accélération des réactions chimiques par des molécules qui ne sont pas consommées dans la réaction, est centrale aux organismes vivants et une pierre angulaire de l'industrie chimique. Malgré son omniprésence, les contraintes géométriques et physiques qui donnent lieu à la catalyse ne sont pas entièrement comprises. En outre, il n'existe pas de cadre théorique permettant de concevoir rationnellement la catalyse à partir de zéro. Par conséquent, l'élucidation des principes de conception d'une catalyse efficace reste un défi majeur, les enzymes artificielles ne parvenant pas à atteindre les capacités de leurs homologues naturels. Nous introduisons ici un cadre théorique pour la conception ascendante de la catalyse basé sur la théorie des temps de premier passage et nous appliquons ce cadre pour concevoir un catalyseur minimal qui accélère les réactions de dissociation dans un modèle basé sur la chimie artificielle. Nous montrons qu'un dimère rigide minimal accélère le clivage d'une liaison dans une plage étroite de l'espace des paramètres couvert par la géométrie et les interactions physiques du catalyseur avec le substrat, ainsi que par les conditions de réaction. Nos résultats ouvrent la voie à la conception de systèmes artificiels autorégulés dotés de fonctionnalités bio-inspirées.L'auto-assemblage désigne le processus par lequel des sous-unités s'organisent de manière autonome en motifs ordonnés et en structures fonctionnelles. Une stratégie d'auto-assemblage efficace est incarnée par les protéines naturelles, qui se replient de manière réversible dans leur état natif à partir d'une chaîne comportant une séquence d'acides aminés spécifique. La stratégie d'auto-assemblage la plus répandue est l'assemblage à partir d'un gaz de particules. Au contraire, dans ce travail, nous introduisons un nouveau paradigme pour la conception de matériaux en étudiant le repliement de courtes chaînes colloïdales librement jointes, les colloïdomères, où les interactions sont médiées par l'ADN. Le contrôle de l'état plié final est obtenu en concevant des protocoles de température de non-équilibre qui canalisent l'espace de configuration du polymère, guidant le pliage de la chaîne vers une géométrie unique que nous appelons un foldamer (colloïdal). Afin d'identifier systématiquement toutes les solutions de foldamères, nous développons un algorithme qui sélectionne des repliements uniques en deux dimensions en cherchant dans l'espace des séquences, des espèces de particules et des interactions. Notre approche révèle des modes de repliement qui rappellent ceux proposés dans le contexte des protéines et permet de concevoir de nouveaux blocs de construction supra-colloïdaux.
Origine : Version validée par le jury (STAR)