Soutenance de thèse de Karwan Ali Omar – mercredi 22 novembre 2023 en salle Magat

07 November 2023 par clavaguera
Karwan Ali Omar du groupe ThéoSim soutiendra sa thèse le mercredi 22 novembre 2023 à 14h

« Simulations numériques des réponses ultra-rapides de molécules biologiques soumises à des ions légers rapides et à des impulsions UV extrême », dirigée par Aurélien de la Lande.

 La soutenance aura lieu le mercredi 22 novembre 2023 à 14h dans la salle Magat. La soutenance aura lieu en anglais.

 

Résumé en français

Dans cette thèse, nous étudions l’étape physique de l’irradiation ionisante de systèmes biomoléculaires, un processus se déroulant sur une échelle de temps allant des attosecondes à quelques femtosecondes. L’étape physique recouvre le dépôt d'énergie et les migration de charges, jetant les bases de tous les événements physico-chimiques subséquents. Nous utilisons la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité Auxiliaire Dépendent du Temps en Temps Réel (RT-TD-ADFT) pour étudier le dépôt d'énergie et les réponses ultra-rapides des électrons des biomolécules exposés à des ions et à des impulsions XUV. Le Chapitre 1 présente une vue succincte des mécanismes d’endommagement des biomolécules. Nous abordons les principaux modèles théoriques de dépôt d’énergie et les approches de simulations numériques premiers principes dédiés à leur étude. Ce Chapitre décrit les méthodes théoriques utilisées dans la suite de travail. Nous explorons dans les Chapitres 2 et 3 l'impact des effets relativistes des particules chargées et des liaisons hydrogène sur le dépôt d'énergie pour un système modèle guanine-cytosine en lien hydrogène avec deux molécules d'eau. Nous montrons la nécessité d'incorporer les effets relativistes pour des protons de plus d’un mégaélectronvolt d’énergie cinétique. Nous montrons que l'effet relativiste exacerbe le dépôt d'énergie, via une modification du mécanisme d’interaction ion-électron. Nous constatons que le dépôt d'énergie diminue en présence de liaisons hydrogène. Cette influence diminue avec l'augmentation de l'énergie cinétique du proton jusqu'à 2 MeV, puis elle recommence à augmenter progressivement. Ces tendances n'avaient pas été observées précédemment dans la littérature TD-DFT. Dans le chapitre 3 nous étudions l’étape physique de l’irradiation α d’un complexe protéine/ADN. Nous adoptons une approche hybride QM/MM laquelle couple la RT-TD-ADFT et la mécanique moléculaire (MM) en champ de forces non-polarisable et polarisable. Nous montrons que l’induction électrostatique dans la partie MM a un effet négligeable sur le dépôt d'énergie mais est de nature à influencer les migrations de charges entre fragments moléculaires. Nous identifions des migrations ultra-rapides (fs) de trous dans le système protéine/ADN. Finalement, dans le but d’analyser les migrations de charges se déroulant au sein d’ensembles comportant plusieurs centaines d’atomes traités en DFT, nous proposons des outils fondés sur les matrices de corrélation. Il s’agit d’un outil puissant qui permet extraire des informations pertinentes des simulations RT-TD-ADFT sur des systèmes de grandes tailles. Le chapitre 5 porte sur les réponses ultra-rapides de l'insuline et d’un peptide à une impulsion XUV dans le cadre d’une collaboration expérimentale. Nous identifions d’abord que la simulation RT-TD-ADFT de la photo-ionisation de petites molécules comme N2 est difficile avec des fonctions de base gaussiennes standard. Cependant, elle peut être améliorée en les enrichissant d’orbitales atomiques optimisées pour le continuum. Toutefois, ces difficultés sont largement atténuées lors de la simulation de molécules plus grandes. Nous avons effectué des calculs pour l'éjection d'électrons et la création de trous sur une période de 50 fs pour les peptides. Les résultats montrent que la distribution de trous couvre toute la structure moléculaire, bien qu'il y ait des disparités marquées entre les différents acides aminés. La probabilité d'ionisation augmente en corrélation grossière avec le nombre d'électrons de valence. Au sein d'un acide aminé spécifique, l'environnement joue un rôle clé dans la détermination de sa probabilité d'ionisation. Une observation remarquable de notre étude est la susceptibilité accrue à l'ionisation des acides aminés présents sur la surface par rapport à ceux profondément intégrés dans la structure. Le manuscrit se conclue par une synthèse générale des travaux et la proposition de quelques voies de recherche futures possibles.