Ifsttar PhD subject

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Title : Élucider les mécanismes de détection des composés organiques volatils avec des protéines de liaison - Vers une conception rationnelle de capteurs de gaz biomimétiques pour la surveillance de la qualité de l'air à l’intérieur des bâtiments

Main host Laboratory - Referent Advisor COSYS - LISIS  -  MOUHIB Halima      tél. : +33 160957377

Director of the main host Laboratory KHADOUR Aghiad  -

PhD Speciality Physical chemistry, molecular physics, Computational Biophysics, Quantum chemistry

Axis of the performance contract 3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires

Main location Marne-la-Vallée

Doctoral affiliation UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

PhD school SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Planned PhD supervisor MOUHIB Halima  -    -

Planned financing Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Abstract

Au cours des dernières décennies, plusieurs études ont vu le jour pour concevoir de nouveaux capteurs de composés organiques volatils (COVs), notamment en lien avec le développement de villes durables. Face à une population en croissance rapide dans les villes, le développement de capteurs efficace afin de surveiller et d’améliorer la qualité de l’air à l’intérieur des bâtiments devient de plus en plus important et est indispensable dans la conceptualisation de la ville de demain.

1 Au cours des dernières années, les capteurs biomimétiques utilisant des unités de capteurs à base de protéines sont apparus comme des outils très prometteurs qui pourraient révolutionner la technologie de détection des gaz en se basant sur la détection sélective des COVs émis par plusieurs sources primaires telles que les agents de nettoyage, la cuisine, les plantes et les meubles. Plus précisément, les protéines liant les odorants (‘Odorant Binding Proteins’ - OBP), avec leur extrême stabilité à haute température et par leur résistance à la protéolyse et aux solvants organiques, se présentent comme des candidats idéaux à utiliser dans les capteurs à base de protéines.

2 Malgré de nombreux efforts pour concevoir de nouveaux capteurs de gaz, l’état de l’art est encore loin de fournir un dispositif efficace pour les nez artificiels. Un problème majeur qui freine actuellement les progrès dans ce domaine est notre compréhension fragmentaire du sens olfactif et de ses mécanismes de détection moléculaires. Pour résoudre ce problème, une approche de simulation multi-échelles validée avec des expériences de spectroscopie à haute résolution est mise en place.

3 Jusqu’à présent, le processus de transfert des odorants et des composés organiques volatils de la phase gazeuse à la phase solvatée a été très peu étudié. La spectroscopie rotationnelle représente un outil efficace pour étudier ces systèmes. Grâce à la technique de spectroscopie micro-onde à transformée de Fourier (Molecular Beam - Fourier Transform MicroWave) les résultats théoriques obtenus à partir des analyses conformationnelles avec la chimie quantique seront validés expérimentalement pour garantir leur pertinence physique et déterminer les structures les plus abondantes des odorants sélectionnés en phase gazeuse.

4 Les modèles de chimiques quantiques validés seront à leur tour utilisés dans des modèles de champ de force classiques et les distributions de charge nécessaires pour paramétrer les simulations de dynamique moléculaire renforcée.

5 Le projet met en place une nouvelle stratégie pour quantifier les mécanismes de détection et caractériser le transfert des odorants de la phase gazeuse à la phase solvatée par leurs OBP. Le point fort de cette approche est le couplage d’expériences de spectroscopie à haute résolution avec des calculs de chimie quantique. Le laboratoire COSYS-LISIS de l’Université Gustave Eiffel, est spécialisé dans l’application de capteurs pour la ville durable et fournit ainsi l’infrastructure idéale pour le projet. Les compétences disponibles permettront d’exploiter les résultats du projet dans la chambre climatique SENSE-CITY (https://sense-city.ifsttar.fr/).

Compétences à acquérir au cours de la thèse : Expériences de spectroscopie moléculaire haute résolution (techniques de faisceaux moléculaire), simulations de dynamique moléculaire, techniques d'échantillonnage renforcées (steered MD, replica exchange MD), calcul d’énergie libre

Exigences : M.Sc. en chimie, ingénierie chimique, physique, bio-informatique ou dans un domaine scientifique avoisinant, compétences en programmation (Python ou C/C++), un intérêt pour les simulations moléculaires et la recherche interdisciplinaire, ainsi qu'un bon niveau d'anglais sont requis.

Référence :
1 S. Kim, E. Paulos, inAir:Sharing indoor air quality measurements and visualizations, CHI 2010: Earth, Wind, and Flyer, 81-84.
2 M. Y. Mulla, E. Tuccori, M. Magliulo, G. Lattanzi, G. Palazzo, K. Persaud and L. Torsi, Capacitance-modulated transistor detects odorant binding protein chiral interactions, Nat. Commun., 2015, 6, 6010.
3 J. Grabow, W. Stahl and H. Dreizler, A multioctave coaxially oriented beam‐resonator arrangement Fourier‐transform microwave spectrometer, Rev. Sci. Instrum., 1996, 67, 4072–4084.
4 H. Mouhib, W. Stahl, M. Lüthy, M. Büchel and P. Kraft, Cassis odor through microwave eyes: Olfactory properties and gas-phase structures of all the cassyrane stereoisomers and its dihydro derivatives, Angew. Chemie - Int. Ed., 2011, 50(24), 5576-5580.
5 G. Rossetti, F. Musiani, E. Abad, D. Dibenedetto, H. Mouhib, C. O. Fernandez and P. Carloni, Conformational ensemble of human α-synuclein physiological form predicted by molecular simulations, Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18(8), 5702-6.

Keywords : (1) Spectroscopie micro-onde à transformée de Fourier à faisceau moléculaire (MB-FTMW), (2) Recherche olfactive (3) Simulations multi-échelles, (4) Échantillonnage renforcé, (5) Empreintes moléculaires, (6) interactions protéine-ligand, (7) Détection

Main host Laboratory - Referent Advisor	COSYS - LISIS - MOUHIB Halima tél. : +33 160957377
Director of the main host Laboratory	KHADOUR Aghiad -
PhD Speciality	Physical chemistry, molecular physics, Computational Biophysics, Quantum chemistry
Axis of the performance contract	3 - COP2017 - Aménager et protéger les territoires
Main location	Marne-la-Vallée
Doctoral affiliation	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
PhD school	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Planned PhD supervisor	MOUHIB Halima - -
Planned financing	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Abstract Au cours des dernières décennies, plusieurs études ont vu le jour pour concevoir de nouveaux capteurs de composés organiques volatils (COVs), notamment en lien avec le développement de villes durables. Face à une population en croissance rapide dans les villes, le développement de capteurs efficace afin de surveiller et d’améliorer la qualité de l’air à l’intérieur des bâtiments devient de plus en plus important et est indispensable dans la conceptualisation de la ville de demain. 1 Au cours des dernières années, les capteurs biomimétiques utilisant des unités de capteurs à base de protéines sont apparus comme des outils très prometteurs qui pourraient révolutionner la technologie de détection des gaz en se basant sur la détection sélective des COVs émis par plusieurs sources primaires telles que les agents de nettoyage, la cuisine, les plantes et les meubles. Plus précisément, les protéines liant les odorants (‘Odorant Binding Proteins’ - OBP), avec leur extrême stabilité à haute température et par leur résistance à la protéolyse et aux solvants organiques, se présentent comme des candidats idéaux à utiliser dans les capteurs à base de protéines. 2 Malgré de nombreux efforts pour concevoir de nouveaux capteurs de gaz, l’état de l’art est encore loin de fournir un dispositif efficace pour les nez artificiels. Un problème majeur qui freine actuellement les progrès dans ce domaine est notre compréhension fragmentaire du sens olfactif et de ses mécanismes de détection moléculaires. Pour résoudre ce problème, une approche de simulation multi-échelles validée avec des expériences de spectroscopie à haute résolution est mise en place. 3 Jusqu’à présent, le processus de transfert des odorants et des composés organiques volatils de la phase gazeuse à la phase solvatée a été très peu étudié. La spectroscopie rotationnelle représente un outil efficace pour étudier ces systèmes. Grâce à la technique de spectroscopie micro-onde à transformée de Fourier (Molecular Beam - Fourier Transform MicroWave) les résultats théoriques obtenus à partir des analyses conformationnelles avec la chimie quantique seront validés expérimentalement pour garantir leur pertinence physique et déterminer les structures les plus abondantes des odorants sélectionnés en phase gazeuse. 4 Les modèles de chimiques quantiques validés seront à leur tour utilisés dans des modèles de champ de force classiques et les distributions de charge nécessaires pour paramétrer les simulations de dynamique moléculaire renforcée. 5 Le projet met en place une nouvelle stratégie pour quantifier les mécanismes de détection et caractériser le transfert des odorants de la phase gazeuse à la phase solvatée par leurs OBP. Le point fort de cette approche est le couplage d’expériences de spectroscopie à haute résolution avec des calculs de chimie quantique. Le laboratoire COSYS-LISIS de l’Université Gustave Eiffel, est spécialisé dans l’application de capteurs pour la ville durable et fournit ainsi l’infrastructure idéale pour le projet. Les compétences disponibles permettront d’exploiter les résultats du projet dans la chambre climatique SENSE-CITY (https://sense-city.ifsttar.fr/). Compétences à acquérir au cours de la thèse : Expériences de spectroscopie moléculaire haute résolution (techniques de faisceaux moléculaire), simulations de dynamique moléculaire, techniques d'échantillonnage renforcées (steered MD, replica exchange MD), calcul d’énergie libre Exigences : M.Sc. en chimie, ingénierie chimique, physique, bio-informatique ou dans un domaine scientifique avoisinant, compétences en programmation (Python ou C/C++), un intérêt pour les simulations moléculaires et la recherche interdisciplinaire, ainsi qu'un bon niveau d'anglais sont requis. Référence : 1 S. Kim, E. Paulos, inAir:Sharing indoor air quality measurements and visualizations, CHI 2010: Earth, Wind, and Flyer, 81-84. 2 M. Y. Mulla, E. Tuccori, M. Magliulo, G. Lattanzi, G. Palazzo, K. Persaud and L. Torsi, Capacitance-modulated transistor detects odorant binding protein chiral interactions, Nat. Commun., 2015, 6, 6010. 3 J. Grabow, W. Stahl and H. Dreizler, A multioctave coaxially oriented beam‐resonator arrangement Fourier‐transform microwave spectrometer, Rev. Sci. Instrum., 1996, 67, 4072–4084. 4 H. Mouhib, W. Stahl, M. Lüthy, M. Büchel and P. Kraft, Cassis odor through microwave eyes: Olfactory properties and gas-phase structures of all the cassyrane stereoisomers and its dihydro derivatives, Angew. Chemie - Int. Ed., 2011, 50(24), 5576-5580. 5 G. Rossetti, F. Musiani, E. Abad, D. Dibenedetto, H. Mouhib, C. O. Fernandez and P. Carloni, Conformational ensemble of human α-synuclein physiological form predicted by molecular simulations, Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18(8), 5702-6.
Keywords :	(1) Spectroscopie micro-onde à transformée de Fourier à faisceau moléculaire (MB-FTMW), (2) Recherche olfactive (3) Simulations multi-échelles, (4) Échantillonnage renforcé, (5) Empreintes moléculaires, (6) interactions protéine-ligand, (7) Détection

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