Rheology of lipids layers at molecular length scales / Othmène Benazieb ; sous la direction de Fabrice Thalmann

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : anglais / English

Catalogue Worldcat

Phospholipides -- Propriétés mécaniques

Rhéologie

Dynamique moléculaire -- Simulation par ordinateur

Classification Dewey : 531.3

Classification Dewey : 531.4

Thalmann, Fabrice (19..-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Le Houérou, Vincent (1977-....) (Président du jury de soutenance / praeses)

Joly, Laurent (1979-.... ; physicien) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Sommer, Jens-Uwe (1963-....) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Loison, Claire (Membre du jury / opponent)

Université de Strasbourg (2009-....) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Institut Charles Sadron (Strasbourg) (Laboratoire associé à la thèse / thesis associated laboratory)

Résumé / Abstract : Les phospholipides ont sans aucun doute un rôle capital dans les propriétés de lubrification de biosystèmes. L’exemple le plus probant est le cas des contacts biologiques tels que les articulations ; celles-ci présentent un coefficient de friction très faible. La compréhension de tels systèmes biophysiques présente des enjeux aussi bien fondamentaux qu’appliqués, en lien par exemple avec l’arthrose et la confection de prothèses articulaires. Nous simulons à l’aide du moteur de dynamique moléculaire GROMACS une bicouche de lipide (DSPC) subissant une contrainte appliquée de différentes manières, et observons la réponse de la membrane en fonction de l’état (fluide ou gel) dans laquelle elle se trouve. La première méthode (« CPF : constant pull force ») consiste à appliquer un couple de forces constantes à deux sous-systèmes, et induire par conséquent une déplacement relatif stationnaire de ces deux sous-groupes. La seconde méthode («FKR : force kick relaxation ») consiste à préparer les deux sous-systèmes avec une vitesse relative finie opposée, de façon à garantir l’immobilité du centre de masse du système complet, et à suivre au cours du temps la relaxation mécanique de ces systèmes vers l’équilibre. Nous avons clairement mis en évidence un régime viscoélastique que nous attribuons à l’élasticité d’inclinaison des lipides. Dans l’état gel, nous avons découvert un régime non linéaire, correspondant à une rhéo-fluidification. Le coefficient de friction apparent b semble diminuer quand la force augmente. La bicouche dans l’état gel est donc sujette à une dynamique lente et plus complexe que dans l’état fluide. Par ailleurs notre approche a le mérite de se généraliser aux membranes supportées, pour lesquelles nous obtenons des résultats pour la diffusion et la friction des différentes couches.

Résumé / Abstract : Phospholipids undoubtedly have a crucial role in the lubrication properties of biosystems. The most convincing example is the case of biological contacts such as human joints, which have a very low coefficient of friction. The comprehension of such biophysical systems implicates both fundamental as well as applied challenges, for instance in regard to osteoarthritis and the manufacture of joint prostheses. Using the molecular dynamics engine GROMACS, we simulate a lipid bilayer (DSPC) undergoing stress applied in different ways and observe the response of the membrane depending on the physical state (fluid or gel). The first method (CPF: constant pull force) consists in applying a pair of constant forces to two subsystems, and therefore induce a stationary relative displacement of these two subgroups. The second method (FKR: force kick relaxation) consists in preparing the two subsystems with an opposite finite relative velocity, so as to guarantee the immobility of the center of mass of the complete system, and to follow over time the mechanical relaxation of these systems towards equilibrium. The results clearly show the presence of a viscoelastic regime that we attribute to the elasticity of lipids tilt. In the gel state, we observe a nonlinear regime, corresponding to a shear thinning. The apparent friction coefficient b tends to decrease when the force increases. Therefore, the bilayer in the gel state is subject to a slow and more complex dynamics than in the fluid state. Moreover, our approach can be generalized to supported bilayers for which we obtain results on the diffusion and friction of the different layers.