Ref HAL: tel-02490838_v1
Exporter : BibTex | endNote
Résumé:

Comprendre la nature fondamentale de la transition vitreuse et des solides amorphes est au cœur d’un vaste effort de recherche. La description théorique des solides vitreux reste essentielle- ment phénoménologique. Ce travail explore l’hypothèse selon laquelle une nouvelle phase amorphe de la matière expliquerait naturellement leurs propriétés physiques. Nous analysons la thermodynamique des verres dans la limite de dimension infinie. Cette théorie exacte de champ moyen prédit deux phases vitreuses, une "simple" et une "marginalement stable", séparées par une transition de Gardner. Nous démontrons que les verres sont marginalement stables dans une grande variété de conditions physiques, couvrant des régimes pertinents pour décrire la matière granulaire, les mousses, les émulsions, les colloïdes durs et mous, ainsi que les verres moléculaires. Nous confrontons nos prédictions théoriques à des simulations numériques en trois dimensions. Nous développons un algorithme numérique efficace qui crée des verres très stables. Nous montrons que les verres colloïdaux et granulaires sont marginalement stables: ils évoluent dans un paysage hiérarchique et présentent des excitations délocalisées de basse énergie. Dans ce régime, des variations cycliques de la température donnent lieu à des effets de rajeunissement et de mémoire, précédemment observés dans les verres de spin. En revanche, le comportement des verres moléculaires est régi par des défauts localisés, dont les propriétés quantiques à basse température sont également analysées. Nous étudions le rôle de l’entropie configurationnelle dans le ralentissement dynamique qui accompagne la formation du verre. Nous mesurons l’entropie configurationnelle dans des liquides à très basse température, et analysons les théories thermodynamiques de la transition vitreuse.

Ref HAL: tel-02470985_v2
Exporter : BibTex | endNote
Résumé:

Les organismes cellulaires apparaissent organisés. Les bactéries utilisent des compartiments sans membrane pour confiner les réactions chimiques dans l'espace et le temps. Il existe un paradigme général de l'auto-organisation de l'espace intracellulaire qui distingue les auto-assemblages, structures moléculaires assemblées par des mécanismes passifs de transition de phase, et les structures dissipatives, engendrés par exemple par des processus de réaction-diffusion. Si les auto-assemblages correspondent à l'évolution vers l'équilibre thermodynamique, les structures dissipatives sont des manifestations d'une dépense d'énergie hors équilibre thermodynamique. Nous illustrons ce paradigme en étudiant la ségrégation du matériel génétique chez les bactéries, en l'occurrence celle du plasmide F de Escherichia coli qui repose sur le système de partition ParABS. La ségrégation est une étape cruciale du cycle cellulaire bactérien puisqu'elle assure la transmission de l'information génétique dans les bactéries filles avant la division. Le système ParABS est constitué d'une séquence centromérique parS ; d'une protéine ParB capable de se lier à l'ADN, spécifiquement sur la séquence parS et non-spécifiquement ailleurs ; d'une protéine ATPase ParA capable de se lier à l'ADN. Les interactions entre protéines ParB sur l'ADN et l'adsorption spécifique sur la séquence parS mène à la formation d'un foyer tridimensionnel appelé complexe ParBS localisé autour de la séquence parS. Les interactions entre protéines ParA et ParB mènent au positionnement de ce complexe au centre du milieu cellulaire. Après réplication, deux complexes ParBS existent et son ségrégés par l'action des protéines ParA aux positions 1/4 et 3/4 de l'espace intracellulaire.Nous cherchons d'abord à expliquer la formation des complexes ParBS par un mécanisme passif de séparation de phase entre états de haute et basse densité en protéines ParB dans l'espace. Nous construisons deux modèles de physique statistique à l'aide d'outils empruntés à la physique des transitions de phase. Notre deuxième approche définit rigoureusement tous les éléments du système biologique constitué de l'ADN-polymère et des protéines ParB en interaction et nous permet de formuler un critère d'existence de transition de phase du premier ordre qui est vérifié par l'ADN. Nous parvenons à tracer les diagrammes de phase de cette transition. Ces deux modèles nous permettent d'argumenter que le régime thermodynamique physiologique de ce système biologique est un régime de coexistence métastable en protéines ParB sur l'ADN. La séquence parS joue le rôle d'un défaut ou d'une graine de nucléation. Nous utilisons une troisième approche pour expliciter le lien entre les distributions tridimensionnelle et sur l'ADN des protéines ParB autour de la séquence parS. Nous cherchons à expliquer les courbes de recouvrement de fluorescence issus d'expériences de photoblanchiment sur les complexes ParBS. Nous construisons une méthode de photoblanchiment in silico, c'est-à-dire que nous reproduisons ces courbes de recouvrement à partir d'une équation phénoménologique résolue numériquement. Nous développons un système d'équations qui décrivent l'évolution des protéines sur l'ADN à partir de l'approche physique statistique précédente pour produire un photoblanchiment in silico prenant en compte que les complexes ParBS sont issus d'une séparation de phase. Nous montrons qu'un pur système passif ne permet pas de faire des expériences de photoblanchiment à cause de la maturation d'Ostwald subie par les complexes. Nous corrigeons cette approche pour inclure les protéines ParA et leur cycle biochimique dans nos simulations. Nous montrons ainsi que les interactions entre les protéines ParA et ParB et l'hydrolyse de l'ATP permet la survie de plusieurs complexes ParBS grâce à un mécanisme d'inversion du murissement d'Ostwald. Cette approche fondamentale permet d'expliquer le positionnement des complexes ParBS durant la ségrégation.

Ref HAL: hal-02445176_v1
Ref Arxiv: 1811.03171
DOI: 10.21468/SciPostPhys.7.6.077
WoS: 000505803200006
Ref. & Cit.: NASA ADS
Exporter : BibTex | endNote
4 Citations
Résumé:

We study the equilibrium statistical properties of the potential energy landscape of several glass models in a temperature regime so far inaccessible to computer simulations. We show that unstable modes of the stationary points undergo a localization transition in real space close to the mode-coupling crossover temperature determined from the dynamics. The concentration of localized unstable modes found at low temperature is a non-universal, finite dimensional feature not captured by mean-field glass theory. Our analysis reconciles, and considerably expands, previous conflicting numerical results and provides a characteristic temperature for glassy dynamics that unambiguously locates the mode-coupling crossover.

Ref HAL: hal-02437145_v1
DOI: 10.1007/s10955-019-02380-7
WoS: 000494046700002
Exporter : BibTex | endNote
Résumé:

We raise the question whether a simple model for traffic, generic but based on microscopic rules, can provide an additional angle for interpreting flow through a road system. Using the totally simple exclusion process (TASEP) on a road segment with ramps, we show that measuring the flow directly at the road junctions may be a useful setup. We show that the presence of junctions affects the characterisation of traffic, suggesting that interpretations in terms of a 2-phase or a 3-phase description may be complementary, rather than contradictory. We furthermore argue that hysteresis-like features can appear in a system with junctions, which is intriguing as the TASEP dynamics as such do not lead to hysteresis. We discuss our findings in the light of boundary-driven phase transitions.

Ref HAL: hal-02409954_v1
Exporter : BibTex | endNote
Résumé:

The translation apparatus has long been viewed as a mere factory until recent findings this last decade have unraveled its unexpected role in orchestrating real time gene regulation. Far from being a molecular monolith, the ribosome displays a remarkable heterogeneity along with a striking ability to orchestrate real-time control of gene expression. In the meantime, several reports connect alteration of the translation machinery with elevated cancer risk as well as in tumor initiation and progression. We aim to decipher the variety of translation mechanisms by modeling dedicated Ribo-sequencing experiments. We have designed a new set of Ribo-seq experiments with purified polysomes in order to understand the role of the ribosome density onto translation and to characterized biophysical parameters of translations (hopping rates of ribosomes, initiation rate, termination rate). Preliminary data will be modeled as a proof of concept to pave the way to a genome wide analysis with morefinely regulated genes in charge, e.g., for cell phenotype. After a presentation of the physical perspective of translation, I will discuss the usefulness of biophysical modeling approaches to estimate the codon-dependent hopping, initiation and termination rates of ribosomes from Ribo-seq data. I will discuss designed Ribo-seq experiments (purified polysomes) obtained at IGF suggesting that the ribosome dynamics depends on various conditions: modified dynamics of the first ribosome entering the newly transcripted mRNA, different paradigms for translation (cytoplasmic versus membrane translation), effect of inhomogeneous hopping rates on ribosome traffic etc. Finally, I will consider how these findings will help to understand the epithelial-mesenchymal transition: we have performed designed Ribo-seq experiments inducing a change of the ribosomes concentration level in vivo in tumor human cells and observed induced change of phenotype to mezenchymal cells.

Ref HAL: hal-02409051_v1
Exporter : BibTex | endNote
Résumé:

Controlled motion and positioning of colloids and macromolecular complexes in a fluid, as well ascatalytic particles in active environments, are fundamental processes in physics, chemistry andbiology. Here we focus on an active biological system for which precise experimental results areavailable. Our work is fully inspired by studies of one of the most widespread and ancientmechanisms of liquid phase macromolecular segregation and positioning known in nature:bacterial DNA segregation systems. Efficient bacterial chromosome segregation typically requiresthe coordinated action of a three-component, fueled by adenosine triphosphate machinery calledthe partition complex. We can distinguish two steps: (i) a process of phase transition [2,3] tobuilt a membraneless region of high protein concentration (partition complex) (ii) the action ofmolecular motor action upon the complex to create a chemical force.We present a phenomenological model [1] accounting for the dynamics of this system that is alsorelevant for the physics of catalytic particles in active environments. The model is obtained bycoupling simple linear reaction-diffusion equations with a volumetric chemophoresis force fieldthat arises from protein-protein interactions and provides a physically viable mechanism forcomplex translocation. This description captures experimental observations: dynamic oscillationsof complex components, complex separation and symmetrical positioning. The predictions of ourmodel are in agreement with and provide substantial insight into recent experiments. From a non-linear physics view point, this system explores the active separation of matter at micrometricscales with a dynamical instability between static positioning and travelling wave regimestriggered by the dynamical spontaneous breaking of rotational symmetry. We also discuss thephase transition mechanism giving rise to macromolecular assembly of proteins. Our predictionsare compared to Super Resolution microscopy and microbiology experiments [1,2,3].[1] Walter J.-C., Dorignac J., Lorman V., Rech J., Bouet J.-Y., Nollmann M., Palmeri J., ParmeggianiA. and Geniet F., Phys. Rev. Lett. 119, 028101 (2017).[2] Debaugny R., Sanchez A., Rech J., Labourdette D., Dorignac J., Geniet F., Palmeri J.,Parmeggiani A., Boudsocq, Leberre V., Walter* J.-C. and Bouet* J.-Y Mol. Syst. Biol. 14, e8516 (2018).[3] David G., Walter J.-C., Broedersz C., Dorignac J., Geniet F., Parmeggiani A., Walliser N.-O. andPalmeri J., submitted to Phys. Rev. Lett. [arXiv/1811.09234] (2019).

Ref HAL: hal-02378522_v1
DOI: 10.1101/552307
Exporter : BibTex | endNote