Molecular dynamics simulations in understanding the interactions of rhamnolipids in different fungal biomimetic membranes

En agriculture, l'utilisation intensive de pesticides chimiques représente une menace pour l'environnement. Leur toxicité constitue quant à elle un danger pour la santé humaine. De ce fait, il est important de développer et privilégier des approches alternatives dont l'impact environnemental et sur la santé humaine est moindre. Dans ce contexte, cette thèse est centrée sur une famille de glycolipides amphiphiles naturels, les rhamnolipides (RLs). En effet, ces molécules, naturellement biodégradables, ont des propriétés antibactériennes et/ou antifongiques tout en restant sans danger pour l'Homme. Elles représentent donc une alternative intéressante aux produits phytosanitaires d'origine chimique. Cependant, même si les RLs interagissent très probablement directement avec les lipides de la membrane cellulaire cible, le mode d'action de ces molécules est peu connu. Des travaux antérieurs, par RMN du solid, ont montré une fluidification des liposomes lorsque les RLs ont été ajoutés à une membrane contenant de l'ergostérol (stérol membranaire spécifique aux champignons). Il est intéressant de noter que cet effet était moins important pour un modèle végétal contenant du stigmastérol et qu'il n'y avait pas de différences dans d'autres modèles contenant du sitostérol ou du cholestérol. Dans cette thèse, des simulations de dynamique moléculaire (MD) ont été utilisées dans le but d'apporter une vision complémentaire à ces expériences. Dans la première partie du manuscrit, des simulations MD tout atome (AA) ont été réalisées dans le but de donner un meilleur aperçu des interactions spécifiques qui ont lieu entre les RLs et les lipides de différents modèles de membranes plasmiques. Plusieurs paramètres ont été analysés, (i) l'effet de différents stérols sur la dynamique des lipides en présence et en absence de RLs avec des mesures de paramètres d'ordre, (ii) la localisation des RLs dans les membranes au moyen de calculs de profils de densité, (iii) les interactions des RLs avec les différents composants de la membrane par l'analyse de distributions de contacts polaires inter-moléculaires. Une comparaison entre deux champs de force (FFs) largement utilisés, Slipids et Charmm36, a également été établie, nécessitant au préalable une description des topologies des stérols et des RLs dans ces différents FFs. Cette approche a ensuite été validée en comparant les paramètres d'ordre provenant de ces simulations et ceux de membranes étudiées dans la littérature soit par MD soit par RMN. Bien qu'il soit difficile de trouver des différences significatives dans les paramètres d'ordre entre les différents modèles de membranes, la même fluidification induite par les RLs a été obtenue avec les deux FFs. En outre, la formation de liaisons hydrogène spécifiques entre les RLs et certains types de stérols pourrait être un point de départ pour comprendre comment les RLs ciblent différents types de membranes au travers de différents mécanismes d'interaction avec plusieurs composants membranaires. Enfin, nous avons effectué des simulations MD gros grains (CG) dans le but de simuler des membranes de plus grande taille et plus complexes, sur une plus longue échelle temporelle. Avant cela, les topologies des RLs ont dû être paramétrées pour utiliser le CG FF, appelé Martini. La fluidification induite par les RLs a également été observée au moyen de mesures de paramètres d'ordre. De plus, les RLs affectent des propriétés de la membrane telles que l'épaisseur, la surface membranaire et l'aire par lipide. Cependant, aucune déstabilisation de la membrane n'a été observée en présence de RLs, même sur des échelles de temps plus longues avec des modèles plus grandsIn agriculture, the intensive use of chemical pesticides is environmentally unfriendly and potentially harmful to human health. Therefore, the development of new approaches with less environmental and health impacts is quite a crucial challenge. Within this context, this thesis is focused on a family of natural amphiphilic glycolipids called rhamnolipids (RLs). They are produced by some microorganisms, present antibacterial and / or antifungal properties, and remain harmless to humans and stimulating plant defenses. They are thus a reasonable alternative to agrochemicals. However, even though they most likely interact directly with the lipids from the target cell membrane, the mode of action of these molecules is barely known in details. Previously to this thesis, solid-state NMR experiments carried out in our laboratory showed a fluidification of liposomes when the RLs were added to a model membrane containing ergosterol, which is a fungal-specific membrane sterol. Interestingly, this effect was less remarkable for a stigmasterol-containing plant model and there were no differences in other sterol-containing models (sitosterol or cholesterol). In this project, we used molecular dynamics (MD) simulations as a complementary approach to those experiments. In the first part of the manuscript, we focus in all atom (AA) MD simulations with the purpose of giving a better insight of the specific interactions taking place between the RLs and lipids of different plasma membrane models. Multiple parameters have been analyzed, (i) effect of different sterols on the lipid dynamics in the presence and the absence of RLs with order parameter measurements, (ii) RLs localization within the membranes by means of density profile calculations (iii) RLs interactions with the different membrane components trough inter-molecular polar contact distributions. A comparison between the two widely used AA force fields (FFs) Slipids and Charmm36 have been established as well, requiring first a description of sterols and RLs topologies in the different FFs. This approach was then validated by comparing order parameters from simulations of membranes studied in the literature and NMR experiments. While it is hard to find significant differences in order parameters between different membrane models, same RL-induced fluidization have been obtained with both FFs. Besides, the formation of specific H-bonds between RLs and some types of sterols could be a starting point to understand how RLs target different types of membranes due to different interaction mechanisms with several membrane components. Next, we performed coarse grained (CG) MD simulations with the goal of simulating more complex and larger membranes in a longer time scale. Before to do so, RLs topologies had to be parametrized for using the CG FF called Martini. Those topologies were validated thanks to our AA simulations. RL-induced fluidization was also observed by the means of order parameter measurements. Moreover, they have shown to affect membrane properties as thickness, membrane area and area per lipid. However, no destabilization of the membrane was observed in the presence of RLs even in longer time scales with bigger model