La physique de l'ADN
M. Barbi
Description :
Le but de ce cours est d’introduire des différents aspects du fonctionnement et des propriétés physiques de l’ADN, et de donner un aperçu de la manière dont ces propriétés sont modélisées en physique. L'accent sera mis sur la modélisation numérique. Tous les cours sont composés de trois parties (éventuellement mêlées) : (i) la description d’une problématique biologique, (ii) l’introduction/rappel des concepts physiques et outils de modélisation qui peuvent permettre d’aborder cette problématique, et (iii) un court TD numérique permettant de tester immédiatement ces outils sur des questions très simples. La deuxième partie du cours est consacrée entièrement à des projets numériques individuels dans lequel les étudiants mettent immédiatement en œuvre les notions apprises en relisant une simulation numérique sur un sujet lié aux notions traitées en cours (à choisir dans une liste de propositions). Dans cette partie du travail, les problématiques biologiques explorées seront donc abordées plus en détail. L'évaluation portera sur ce travail personnel, exposé oralement par les étudiants.
Le calendrier 2016-2017.
Programme :
· PRE-COURS (6h) : Description du programme et des modalités de travail ; Introduction au logiciel Python, utilisé en TD.
· PARTIE 1, COURS/TD (21h) :
- Cours/TD I. Mécanique de l’ADN en double hélice
- Cours/TDII. Thermodynamique de l’ADN en double hélice
- Cours/TD III. L’ADN et les protéines: transcription et recherche par diffusion
- Cours/TD IV. L’ADN et l’information génétique
- Cours/TD V. L’ADN dans le noyau : la chromatine (Julien Mozziconacci)
· PARTIE 2, PROJETS NUMERIQUES PERSONNELS (12h) :
- Libre choix du logiciel / langage de programmation
- Encadrés par l’enseignant
- Une liste de sujet proposés
Liste (provisoire) de sujets de projet avec une courte description
Compléments de cours :
Ci de suite des liens utiles à des document qui complètent les sujets discutés (souvent de manière succincte) dans le cours, et/ou ouvrent sur des thèmes liés, par exemple ceux proposés pour les projets
Pre-cours :
Présentation du cours
Voici le premier TD d'introduction à Python (fichier ipynb à télécharger puis ouvrir avec jupyter notebook), et sa version non executable en html (16-17)
Voici le second TD d'introduction à Python (fichier ipynb à télécharger puis ouvrir avec jupyter notebook), et sa version non executable en html (16-17)
Cours/TD I. Mécanique de l’ADN en double hélice
La présentation du cours 1.
Le sujet du TD 1.
Le cours que j’ai présenté s’appuie lourdement sur le cours «Molecule and Cell Biophysics» (2002) de John Marko, disponible en ligne (une version pdf avec des formules mieux formatées disponible sur demande !). Certains aspects de la réponse mécanique de l’ADN sont présentés, de manière partielle, dans mon mémoire d'habilitation (chapitre 2, chapitre 3).
Des détails sur les modèles d’ADN comme polymère et sur les simulations Monte Carlo d’une chaîne peuvent être trouvés (par exemple) dans la thèse de Gilles Charvin Etudes des topoisomérases de type II par micromanipulation d'ADN, chapitre 2 et annexe C. On pourra consulter le court article modèle de polymère
sur wikipédia, ou un bref cours sur les polymères, ou une version un peu plus avancée.Et pour finir un tres bel article de Daan Frenkel sur Monte Carlo et Dynamique Moléculaire.
Cours/TD II.Thermodynamique de l’ADN en double hélice
La présentation du cours 2.
Le sujet du TD 2.
Je discute un peu les études sur la dénaturation thermique de l’ADN dans mon mémoire d'habilitation" (chapitre 3). Voici aussi un chapitre de thèse sur le modèle de Peyrard Bishop.
Des aspects plus liés à la transmission de solitons le long de l’ADN peuvent être trouvés dans La physique des solitons de Peyrard et Dauxois et dans cet article de revue de M. Peyrard. Voir aussia href="http://en.wikipedia.org/wiki/Sine–Gordon_equation">Modèle Sine-Gordon et Equation de Schrödinger non linéaire sur wikipedia. Dans mon mémoire d'habilitation ce sujet paraît au chapitre 2.
Voir aussi la thèse en ligne de Sahin Buyukdagli Etude de la dynamique et de la physique statistique de modèles d'ADN non-linéaires à la dénaturation thermique, (2007).
Cours/TD III. L’ADN et les protéines: transcription et recherche par diffusion
La présentation du cours 3.
Le sujet du TD 3.
Mon point de vue sur la diffusion d'une protéine le long de l'ADN est dans les chapitres 4 et 5 de mon mémoire d'habilitation. On peut trouver une discussion des modèles intermittents de la diffusion dans la thèse de Mathieu Coppey (2004) - Théorie stochastique des réactions limitées par le transport ou dans la littérature, et notamment dans cet article introduisant le modèlé, cet autre article concernant l'extension au cas à plusieurs dimensions et le cas sur réseau, ou cet article de revue plus récent des mêmes auteurs.
D’un point de vue plus général on peut lire l’article sur la théorie de Poisson-Boltzmann sur wikipédia, ou cet article sur l'interaction électrostatique entre deux plans chargés. Le modèle d’interaction ADN-protéine est introduit dans cet article ou discuté dans mon mémoire d'habilitation (chapitre 5).
-->Cours/TD IV. L’ADN et l’information génétique.
La présentation du cours 4.
Le sujet du TD 4.
Une description un peu résumée des études de corrélation et spectres des séquences peut être trouvé dans mon mémoire d'habilitation (chapitre 1). Une étude plus approfondie incluant une description de l’analyse par transformation en ondelettes est dans cet article en français d'A. Arnéodo sur les propriétés statistiques des séquences. Encore, un vieil article sur la construction d’une séquence artificielle corrélée comme l’ADN et, à ce propos, un exemple de suite déterministe : la suite logistique.
Quelques sequences d'ADN.
Un script python (merci à Bertrand Caré) pour convertir une sequence d'ADN en séquence binaire (+1,-1).
Cours/TD V. L’ADN dans le noyau : la chromatine
La présentation du cours/TD 5.
matrice pour le TD 5matrices pour le projet : MAT_TCC_1000_INTER.dat MAT_TCC_1000_INTRA.dat
Article des premiers résultats obtenus par la méthode Hi-C (avec le Supplementary material associé).