L2C activities at the interface Physics and Biology

Presentation of the LabEx NUMEV activities to the University of Heidelberg

A perspective of Vladimir Lorman's studies in theoretical and interdisciplinary physics

La culture du blé est l’une des plus importantes au monde. Le grain de blé est un matériau composite naturel dont la majeure partie est constituée d’albumen amylacé formé d’un assemblage compact de granules d’amidons (glucides) enchâssés dans une matrice protéique (gluten). Pour obtenir des produits comme la farine, la structure de l'albumen doit être fragmentée en broyant les grains sous des fortes contraintes. La quantité et la qualité des produits obtenus dépendent du comportement de l’albumen à la fragmentation. En raison de sa nature composite, le comportement rhéologique du grain est tributaires des propriétés mécaniques des phases qui le composent (granules, gluten, pores), de leurs interactions, ainsi que de leur distribution spatiale. Les granules d’amidons sont de formes relativement sphériques et de tailles micrométriques, tandis que les protéines sont organisées en un réseau entourant les granules. L'interaction entre l'amidon et ce réseau protéique est influencée par certaines protéines, les puroindolines, dont la présence et le type d’allèle sont contrôlées génétiquement. Si les gènes codant pour les puroindolines sont présents sous forme sauvages, la dureté meunière, c’est à dire l’aptitude à la fragmentation du grain est faible. L’origine de ce comportement est liée à une adhérence limitée entre matrice protéique et amidon. L'absence totale de puroindolines chez le blé dur conduit au contraire à une dureté très élevée des grains et à une forte adhérence. L'objectif de cette thèse est d'étudier, à partir d’une approche multidisciplinaire, la biomécanique du fractionnement du grain de blé en mettant l'accent sur le rôle des granules d'amidon. Des échelles de taille différentes sont considérées : échelle micrométrique du granule et de la matrice protéique; agencement complexe de ces composants dans l'albumen et échelle millimétrique du grain. Ainsi, des expériences de broyage à l'échelle du grain ont été combinées avec des mesures nano-mécaniques par microscopie à force atomique (AFM) et des simulations numériques.Le comportement au broyage a été étudié en utilisant un micro-moulin instrumenté. Une comparaison a été effectuée entre des essais réalisés sur une variété de blé dur et sur la même variété dans laquelle ont été introduits les gènes codant pour les puroindolines. Un changement significatif du comportement mécanique des grains transformés, attribuable uniquement à la présence de puroindolines, a été observé - en termes d'énergie consommée, - de productivité en farine et - de taux d'amidon endommagé. Ces changements sont compatibles avec l'hypothèse d'une faible adhérence, entre granules d'amidon et matrice protéique, induite par la présence des puroindolines et montrent l'effet significatif de celles-ci sur le comportement à la fragmentation. Ces modifications de comportement mécanique peuvent être étudiées par des mesures AFM nano-mécaniques. Pour compléter des travaux antérieurs ayant permis la mesure des propriétés de l'amidon et du gluten, une méthode basée sur des mesures AFM en mode résonance de contact (CR-AFM) a été développée. Celle-ci permet de cartographier les propriétés directement à l'intérieur des granules d’amidon et prend en compte à travers un modèle théorique les variations importantes de topographie observées dans les sections de grains. Ces études CR-AFM de l'albumen ont ensuite porté sur les propriétés mécaniques des granules d'amidon d'origines botaniques différentes (céréales et légumineuses).Enfin, le rôle de la distribution bimodale en taille des granules d'amidon sur la fragmentation de l'albumen a été précisé à partir d’une étude numérique paramétrique détaillée. Les propriétés mécaniques élastiques et à la rupture ont été analysées en détail, ainsi que le rôle dominant de la ténacité des granules et de l'adhérence à l'interface sur l’endommagement de l’amidon.

Collective behavior in a minimal model of cilia beating: synchronization, phase-locking and entrainment

Mechanical response of amorphous solids is a fundamental research topic in glass science. Whereas amorphous solids respond elastically to a small strain (or stress), the system eventually yields at a large strain, showing plastic response. Although amorphous solids such as glasses are ubiquitous and relevant for industrial applications, understanding of mechanical response is still poor.Computer simulations play an important role in this field, since they are able to provide atomic resolution of mechanical response of glasses. However, there are huge gaps in the accessible timescales between ordinary computer simulations and experiments in terms of glass preparation (e.g. cooling rate) and timescale of deformation (e.g. strain rate). Timescale of current computer simulations are about 10 orders of magnitudes smaller, behind as compared to that of experiments, which makes possible studies of poorly annealed glasses with very large strain rate. For the strain rate, one can overcome the timescale gap by using the athermal quasi-static shear (zero strain rate limit) method which neglects thermal fluctuations [1]. However, fast cooling rate of ordinary simulations still prevents us from studying glasses in experimental condition.Recently, we have developed very efficient simulation setup using particle swap Monte-Carlo algorithm with size polydisperse particles [2]. By applying this setup for a realistic glass-forming system with a continuous potential in three dimensions, we produce very well-annealed glasses whose cooling rate is even slower than experiments, that is ultrastable glasses. We perform athermal quasi-static shear deformation on these systems. Aim of this work is to establish the first simulation study of mechanical response of glasses in and beyond experimental timescales in both cooling and strain rates [3].Our athermal quasi-static shear simulation of the ultrastable glasses show qualitatively different behaviors from ordinary computer glasses [3]. 1) Sharp yielding transition: The stress-strain curve of the ultrastable glasses show very big stress overshoot and sharp yielding, which corresponds to shear band spanning entire sample. With the help of the finite size scaling, we unambiguously determine the yielding transition point at the thermodynamic limit. 2) Burst of stress drops before yielding: We observe sudden emergence of burst of stress drops slightly before the yielding transition point, which can be regarded as a precursor of the yielding. 3) Strong persistent initial memory: After the yielding transition, the systems do not converge to a steady state until more than 1000% shear strain, which is in stark contrast to ordinary computer glasses. REFERENCES[1].Maloney, C E. and Lemaitre, A., Amorphous systems in athermal, quasistatic shear, Phys. Rev. E, 74, 016118 (2006).[2].Berthier, L., Coslovich, D., Ninarello, A., and Ozawa, M., Equilibrium Sampling of Hard Spheres up to the Jamming Density and Beyond, Phys. Rev. Lett.. 116, 238002 (2016).[3].Ozawa, M., Ninarello, A., and Berthier, L., in preparation.

In this short talk I will focus on mRNA, one of the last step of protein synthesis often neglected. I will introduce a quantitative model based on a Totally Asymmetric Simple Exclusion Process and integrate experimental data to the model to estimate translation rates previously undetermined.