DNA photosensitization : modeling the interaction between light and complex molecular systems

Photosensibilisation de l’ADN : modélisation des interactions entre la lumière et les systèmes moléculaires complexes

Hugo Gattuso (1)

1 SRSMC - Structure et Réactivité des Systèmes Moléculaires Complexes

The work presented in this manuscript is based on the use of molecular modeling, simulation and theoretical chemistry in order to study the photosensitization of DNA; i.e. the enhancement of the sensitivity of DNA to light through the action of a photosensitizing agent. A first aspect has been to study the photophysical and photochemical pathways of several known sensitizers such as nileblue, nilered, BMEMC or an endogenous modified nucleobase, Pyo, in order to understand their mechanisms of photosensitization. The related phenomena that have been observed are electron transfers, triplet-triplet energy transfers, production of solvated electrons and two-photons activations. Moreover, two tools have been developed to study the interaction between photosensitizing agents and DNA; i) a protocol able to provide the binding free energy of drugs in their interaction pockets; ii) a tool based on the semi-empirical Frenkel Hamiltonian to model the electronic circular dichroism of biomacromolecular systems in a straightforward way. Then the effects of photoinduced lesions on the DNA structure and flexibility have been investigated; i.e. cylcopyrimidine dimers (CPD), pyrimidine(6-4)pyrimidone (6-4PP) and cluster abasic sites. Finally the recognition of damaged DNA strands by repair enzymes is presented and the implication on enzymatic activities has been highlighted. The reader can refer to the first section of the manuscript for a popularized presentation of the project context

Le travail présenté dans ce manuscrit est basé sur l’utilisation de la modélisation moléculaire, de la simulation et de la chimie théorique pour l’étude de la photosensibilisation de l’ADN ; c’est à dire l’augmentation de la sensibilité de l’ADN vis-à-vis de la lumière au travers de l’action d’agents photosensibilisants. Premièrement, les voies photophysiques et photochimiques de plusieurs molécules connues telles que nile bleu, nile rouge, BMEMC ou une base modifiée endogène, Pyo, ont été étudiés dans le but de comprendre leurs mécanismes de photosensibilisation. Les phénomènes associés qui ont été mis en évidence sont des transferts d’électrons et d’énergie, la production d’électrons solvatés et l’activation à deux photons. De plus, deux outils pour l’étude des interactions entre les molécules et l’ADN ont été dévellopés; i) un protocole calculatoire capable de fournir l’énergie libre d’interaction de drogues dans leurs poches; ii) un outil basé sur l’hamiltonien semi-empirique de Frenkel qui permet de modéliser le spectre de dichroïsme circulaire électronique de biomacromolécules. Ensuite, les effets de photolésions sur la structure et la flexibilité de l’ADN ont été étudiés ; i.e. les dimères de pyrimidines, la pyrimidine(6-4)pyrimidone (6-4PP) et les clusters de sites abasiques. Finalement, la reconnaissance de brins d’ADN lésés par des protéines de réparation et le rapport avec leurs activités enzymatiques a été analysé. Le lecteur peut se référer à la première partie de ce manuscrit pour une présentation vulgarisée du contexte de ce projet

Mots clés: DNA; Proteins; Damages; Photosensitization; Molecular dynamics; Absorption; Circular dichroism

Mots clés: ADN; Protéines; Lésions; Photosensibilization; Dynamique moléculaire; TD-DFT; Dichroïsme circulaire

Domaines: Chimie théorique et/ou physique; Biologie moléculaire

Hugo Gattuso. DNA photosensitization : modeling the interaction between light and complex molecular systems. Theoretical and/or physical chemistry. Université de Lorraine, 2017. English. ⟨NNT : 2017LORR0101⟩. ⟨tel-01735331⟩