Elasticité de capsides virales et défauts topologiques

Viruses are in many ways fascinating biological systems. They vary in their structure, their replication methods, and in their target hosts. They are the smallest self-replicating and self-assembling entities on Earth. Viruses are partly made of a protein shell called the capsid, the most important and interesting component as it encloses their genetic material. The main role of the capsid is to protect the viral genome. As a result and despite their smallness, they have evolved to sustain high external or internal constraints. However, the mechanisms underlying the appearance of viruses (through the capsids shape) and those that bring their high resistances are still poorly understood. Such problematics are of great interest as they could lead to the development of artificial nanocages. Viral derived nanocages are promising for various bioappplications, such as gene therapies or nanoapplications, such as drug delivery. The work I propose in my Ph.D. aims to contribute modestly to the understanding of viral assembly and stability using both analytical and numerical investigations.Viruses are biological structures produced thanks to molecular self-assembly. Because the final crystal is too be curved, the induced elastic stress is relaxed thanks to the introduction of topological defects in the protein lattice. We propose in the Ph.D. thesis a quantitative mechanism for this phenomenon by using standard thin shell elasticity. In particular, we show that the type and the angular location of a defect is determined by the value of the azimuthal stress that characterizes compressive or tensile regions. The elastic model proposed permits us to compare quantitatively the relaxation of mechanical stress induced by various defect distributions.Testing the mechanical stability of viral particles is possible thanks to nanoindentation experiments by atomic force microscopy. Using a coarse-grained molecular simulation of a viral structure, we build in the Ph.D. thesis a framework to help interpret mechanical information obtained by such nanoexperiments. More specifically, non-vanishing Gaussian curvature of viruses and the geometry of the tip have an influence on the viral quantitative stiffnesses that can be extracted. The coalescence of analytical and numerical results enables us to capture and rationalize the latter influence. We hope the latter work to be of interest for following investigations regarding mechanical aspects of viruses.Les différentes propriétés des virus en font des objets intéressants et fascinants. On peut en trouver de différentes structures, avec des méthodes de réplication différentes et ils sont spécifiques à leurs cibles. Ils constituent la plus petite entité auto-assemblée, elle-même encodée par un matériel génétique. Ce génome est protégé par une capside à l'intérieur virus lui-même. La capside est le constituant le plus important d'un virus. Son rôle est de protéger le génome viral des agressions extérieures. De fait, elle peut supporter de hautes contraintes mécaniques ou chimiques externes et/ou internes. Cependant, les mécanismes conduisant à leur construction, influençant leurs formes et leur conférant cette résistance sont toujours assez peu compris. Ces problématiques présentent un intérêt majeur car elles ouvrent la porte au développement de nanocages. Ces nanocages inspirées des virus pourraient être particulièrement utiles pour des applications biologiques, en thérapie génique par exemple, ou des applications technologiques, comme la délivrance de médicaments à des cibles spécifiques. Le travail présenté dans cette thèse se propose modestement de contribuer à la compréhension de l'auto-assemblage et de la stabilité virale en utilisant des modèles numériques et analytiques.Les virus sont des échafaudages biologiques auto-assemblés. La structure finale étant nécessairement courbée, la contrainte élastique au cours de l'auto-assemblage due à la courbure est relachée par l'inclusion de défauts topologiques dans le réseau protéique. Dans cette thèse, par l'utilisation de la physique de l'élasticité en milieu continu, on propose un mécanisme pour ce phénomène. En particulier, on montre que le type et la localisation angulaire du défaut à la frontière de l'assemblage sont deux paramètres fixés par la contrainte azimuthale, celle-ci pouvant être compressive ou extensive. Le modèle élastique proposé permet de comparer et d'évaluer l'effet relaxant de différentes distributions de défauts topologiques dans la structure.L'évaluation et les tests de stabilité mécaniques des structures virales ont été rendus possible par les expériences de nanoindentation par microscopie à force atomique. En utilisant une simulation numérique de dynamique moléculaire d'une structure virale gros-grains, on construit dans cette thèse un cadre de travail permettant d'aider à l'interprétation des informations mécaniques tirées de ces expériences. Plus spécifiquement, la courbure Gaussienne non-nulle du virus indenté et la géométrie de la pointe utilisée pour l'indentation ont des influences sur la rigidité mécanique effective pouvant être extraite expérimentalement. La coalescence de résultats numériques et théoriques nous permet de capturer et de rationaliser cette influence. On espère que ce travail pourra être d'intérêt pour des recherches futures portant sur les propriétés mécaniques des virus