Étude de la formation et des propriétés dynamiques, conformationelles et énergétiques d'assemblages supramoléculaires à base de nanotubes organiques et d'agrégats d'argent dans des brins d'ADN

The subject of our theoretically oriented Ph. D. thesis focuses on two types of supramolecular assemblies combining organic and inorganic materials: the first concerns complexes of organic molecules of various sizes and tubules formed by macrocycles, the second being a polynucleotide matrix allowing the formation of clusters of a few metallic atoms. In the first case, host molecules are cyclodextrins (CDs) assembled in tubules. The latter can accommodate various types of guest organic molecules, but more specifically, in the scope of our work, diphenylpolyenes (DPPs), styrene monomers, as well as a polystyrene oligomer. In the second case, the subject systems are polynucleotide strands complexing silver atoms, in the ionic, and then neutral state. The general goal of our work consists in the elucidation of structural, energetic, and dynamic properties of those complexes, with the help of theoretical methods based on “classical” force fields. Regarding the first system of interest, we used the MMFF94 force field (FF), that we introduced ourselves in the Tinker simulation software source code. We first studied the organisation of CD tubules by three schemes: a structural examination of geometries from the Cambridge Structural Database, simulated annealing studies to evaluate the stability of tubular arrangements, and an incremental construction procedure of the tubules by molecular dynamics (MD). For β-CDs, the investigations pointed to a head-to-head configuration, while γ-CDs favoured a head-to-head+tail-to-head triplet. The position and interactions of water molecules inside the obtained tubular arrangements were studied as well. Various complexes for DPPs (DPB, DPH, and DPO) included in the β- and γ-CDs tubules were considered and compared based on structural, energetic, and dynamic criteria. Destabilisations of the arrangements are reported for perpendicular orientations of the DPPs and for the most heavily loaded tubules. Regarding assemblies between γ-CD and the two longest DPPs, various arrangements show similar stability. The same type of analyses was performed for the inclusion of styrene and polystyrene in the β- and γ-CDs tubules. These allowed us to correct assumptions formulated by experimentalists regarding the in situ polymerisation of styrene. We next studied chromophore systems made of silver clusters stabilised by polynucleotide strands. To do so, classical interaction potentials relative to silver, neutral and cationic, were introduced in the AMBER FF. MD simulations allowed analysing the nature and force of the interactions between the various parts of the nucleic oligomers and the silver clusters, through averages of interaction energies. Conformational analyses were necessary to explore the flexibility of the supramolecular assemblies, specifically by radial distribution functions and Ramachandran-type maps.

(fre) Le sujet de notre thèse, à orientation théorique, se focalise sur deux types d’assemblages supramoléculaires combinant matériaux organiques et inorganiques : l’un concerne des complexes formés de molécules organiques de tailles variables et de tubes composés par des macrocycles, l’autre étant une matrice de polynucléotide permettant la formation d’agrégats de quelques atomes métalliques. Dans le premier cas, les molécules hôtes sont des cyclodextrines assemblées en tubules. Ces derniers peuvent accueillir différents types de molécules organiques, mais plus spécifiquement, dans le cadre de notre travail, des diphénylpolyènes (DPPs), des monomères de styrène, ainsi qu’un oligomère de polystyrène. Dans le deuxième cas, il s’agit de chaînes de polynucléotide complexant des atomes d’argent, à l’état ionique, puis neutre. L’objectif général de notre travail consiste en l’élucidation des propriétés structurales, énergétiques et dynamiques de ces complexes, à l’aide de méthodes théoriques basés sur des champs de forces dits classiques. Concernant le premier système d’intérêt, nous avons utilisé le champ de forces (FF) MMFF94, que nous avons introduit nous-mêmes dans le code source du programme de simulation Tinker. Nous avons d’abord étudié l’organisation des tubules de CDs par trois méthodes différentes : un examen structural des géométries issues de la Cambridge Structural Database, des études en recuit simulé pour évaluer la stabilité des arrangements tubulaires, et une procédure de construction incrémentale des tubules par dynamique moléculaire (DM). Pour les β-CDs, les investigations ont abouti à une configuration tête-à-tête, tandis que les γ-CDs favorisent un triplet tête-à-tête+queue-à-tête. La position et les interactions des molécules d’eau à l’intérieur des arrangements tubulaires obtenus ont été également étudiées. Différents complexes de DPPs (DPB, DPH et DPO) inclus dans les tubules de β- et γ-CDs ont été considérés et comparés sur base de critères structuraux, énergétiques et dynamiques. Des déstabilisations des arrangements ont été observées pour les orientations perpendiculaires des DPPs et pour les tubules les plus fortement occupés. Concernant les assemblages entre la γ-CD et les deux plus longs DPPs, plusieurs arrangements présentent une stabilité similaire. Le même type d’analyses a été appliqué pour l’inclusion du styrène et du polystyrène dans les tubules de β- et γ-CDs. Celles-ci nous ont permis de corriger des hypothèses formulées par des expérimentateurs concernant la polymérisation in situ du styrène. Nous avons ensuite étudié des systèmes chromophores composés d’agrégats d’argent stabilisés par des brins de polynucléotide. À cette fin, des potentiels d’interaction classiques relatifs à l’argent, neutre et cationique, ont été introduits dans le FF AMBER. Des simulations en DM ont permis d’analyser la nature et la force des interactions entre les différentes parties des oligomères nucléiques et les agrégats d’argent, à travers des moyennes d’énergies d’interaction. Des analyses conformationelles ont été nécessaires afin d’explorer la flexibilité des assemblages supramoléculaires, plus particulièrement des fonctions de distribution radiale et des cartes de type Ramachandran.