Дисертації з теми "MM simulations"

L'ADN est en permanence exposé à un grand nombre d'événements dommageables déclenchées par des agents endogènes et exogènes. De nombreux travaux expérimentaux ont fourni des informations cruciales sur les propriétés structurelles et la réparation de certains des lésions de l'ADN. Cependant, il manque une vision mécanistique ou énergétique sur leur formation. La biochimie computationnelle a émergé comme un outil puissant pour comprendre les réactions biochimiques et les propriétés électroniques de systèmes complexes.Dans cette thèse, nous étudions la formation de lésions complexes intra-brin et inter-brin. Ces lésions tandem constituent une puissant menace à l'intégrité du génome, en raison de leur haute fréquence mutagenique. Tout d'abord, nous discutons l'attaque d'une liaison covalente entre un radical pyrimidinique. En comparant avec les bases isolees, nos simulations hybrides Car-Parrinello demontrent que la reactivité de la thymine et de la cytosine radicalaires sont inversees dans l'environnement B-helical. De plus, nos resultats montrent egalement une deformation plus importante pour la lesion G[8-5]C.Nous rationalisons également la plus grande réactivité des cytosines par rapport aux purines vers la formation multi-etapes de lésions complexes inter-brins par condensation avec un site C4' abasique. Ces résultats bases sur des simulations avec solvatation explicite et combines a la théorie de la fonctionnelle de la densité sont en accord avec les données expérimentales
DNA is continuously exposed to a vast number of damaging events triggered by endogenous and exogenous agents. Numerous experimental studies have provided key information regarding structural properties of some of the DNA lesions and their repair. However, they lack in mechanistic or energetic information pertaining to their formation. Computational Biochemistry has emerged as a powerful tool to understand biochemical reactions and electronic properties of large systems.In this thesis we study the formation of inter- and intra-strand cross-links. These tandem lesions pose a potent threat to genome integrity, because of their high mutagenic frequency. First, we discuss the formation of complex defects which arise from the attack of a pyrimidine radical onto guanine. In comparison with the reactivity of isolated nucleobases, our hybrid Car-Parrinello Molecular Dynamics simulations reveal that the reactivity of hydrogen-abstracted thymine and cytosine is reversed within a B-helix environment. Further, our data also suggest a more severe distortion of the B-helix for G[8-5]C.Second, we rationalize the higher reactivity of cytosine vs. purines toward the multistep formation of inter-strand crosslinks with a C4' oxidized a basic site, which is in qualitative agreement with experiments on isolated nucleobases, using explicit solvent simulations combined to density functional theory

Submitted by ERNANE DE FREITAS MARTINS (ernanefmg@hotmail.com) on 2018-06-21T18:31:22Z No. of bitstreams: 1 Tese_Ernane_FINAL.pdf: 73762259 bytes, checksum: 783c569159077630257fc1df333452da (MD5)
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Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Nanotechnology is an important and very active area of research contributing to many different fields. The development of new devices applied to personalized medicine is one of its applications. When we desire to develop new devices many effort are done, including experimental and theoretical investigations. The theoretical/computational physics can enormously contribute to this area, since the simulations can reveal the working mechanism in these systems being possible to understand and propose new devices with improved performance. We present an extensive theoretical investigation of the electronic transport properties of graphene-based devices for DNA sensing. We have used a hybrid methodology which combines quantum mechanics and molecular mechanics, the so called QM/MM method, coupled to electronic transport calculations using non-equilibrium Green’s functions. First, we studied graphene in solution in order to understand the effects of polarization on the electronic and transport properties under different salt concentrations. We also stud- ied graphene with Stone-Wales defect in pure water. For these systems we tested a simple polarization model based on rigid rods. Our analysis were also done over different QM/MM partitions including explicit water molecules in the quantum part. Our results showed that the inclusion of the solvent in the electronic transport calculations for graphene decreases the total transmission, showing the important role played by the water. Our results also showed that the electronic transport properties of graphene do not suffer significant changes as we increase the salt concentration in the solution. The inclusion of polarization effects in graphene, despite changing the structuring of water molecules that make up the first solvation shell of graphene, do not significantly affect the electronic transport through graphene. We then studied DNA sequencing devices. First we focused on sequencing using a nanopore between topological line defects in graphene. Our results showed that sequencing DNA with high selectivity and sensitivity using these devices appears possible. We also address nanogap in graphene. For this we looked at the effects of water on electronic transport by using different setups for the QM/MM partition. We showed that the inclusion of water molecules in the quantum part increases the electronic transmission in several orders of magnitude, also showing the fundamental role played by water in tunneling devices. The electronic transport simulations showed that the proposed device has the potential to be used in DNA sequencing, presenting high selectivity and sensitivity. We propose an graphene-based biochip for sequence-specific detection of DNA strands. The main idea of this sort of device is to detect hybridization of single-stranded DNA, forming double-stranded DNA. We showed that the vertical DNA adsorption, either through an anchor molecule (pyrene) or using the nucleotide itself as anchor, do not present good results for detection, since the signals for the single and double strands are quite similar. For the case of horizontal DNA adsorption on graphene our results indicated that the two signals can be distinguishable, showing promising potential for sensitivity and selectivity.
Nanotecnologia é uma importante e muito ativa área de pesquisa contribuindo para muitos campos diferentes. O desenvolvimento de novos dispositivos aplicados à medicina personalizada é uma de suas aplicações. Quando desejamos desenvolver novos dispositivos muitos esforços são feitos, incluindo investigações experimentais e teóricas. A Física teórica/computacional pode contribuir enormemente com esta área, já que simulações podem revelar o mecanismo de funcionamento nesses sistemas tornando possível entender e propor novos dispositivos com desempenho melhorado. Nós apresentamos uma extensa investigação teórica das propriedades de transporte eletrônico de dispositivos baseados em grafeno para sensoriamento de DNA. Utilizamos uma metodologia híbrida que combina mecânica quântica e mecânica molecular, o chamado método QM/MM, acoplado a cálculos de transporte eletrônico utilizando funções de Green fora do equilíbrio. Primeiramente nós estudamos grafeno em solução de modo a entender os efeitos de polarização nas propriedades eletrônica e de transporte em diferentes concentrações de sal. Também estudamos grafeno com defeito Stone-Wales em água pura. Para esses sistemas, testamos um modelo de polarização simples baseado em bastões rígidos. Nossas análises também foram feitas em diferentes partições QM/MM incluindo moléculas de água explícitas na parte quântica. Nossos resultados mostraram que a inclusão do solvente nos cálculos de transporte eletrônico para o grafeno diminui a transmissão total, mostrando o papel fundamento desempenhado pelo água. Nossos resultados também mostraram que as propriedades de transporte eletrônico do grafeno não sofrem mudanças significativas na medida em que aumentamos a concentração de sal na solução. A inclusão de efeitos de polarização em grafeno, apesar de mudar a estruturação das moléculas de água que compõem a primeira camada de solvatação do grafeno, não afeta significativamente o transporte eletrônico através do grafeno. Nós, então, estudamos dispositivos para sequenciamento de DNA. Focamos primeira- mente no sequenciamento usando nanoporo entre defeitos de linha topológicos no grafeno. Nossos resultados mostraram que o sequenciamento de DNA com alta seletividade e sensitividade usando esses dispositivos se mostra possível. Nós também abordamos nanogap em grafeno. Para tal, avaliamos os efeitos da água no transporte eletrônico utilizando diferentes configurações para a partição QM/MM. Mostramos que a inclusão de moléculas de água na parte quântica aumenta a transmissão eletrônica em várias ordens de grandeza, também mostrando o papel fundamental desempenhado pela água em dispositivos de tunelamento. As simulações de transporte eletrônico mostraram que o dispositivo proposto tem o potencial de ser usado em sequenciamento de DNA, apresentando alta seletividade e sensitividade. Propusemos um biochip baseado em grafeno para detecção de sequências específicas de fitas de DNA. A ideia principal desta classe de dispositivos é detectar a hibridização da fita simples de DNA, formando a fita dupla de DNA. Mostramos que a adsorção vertical de DNA, seja utilizando uma molécula âncora (pireno) ou utilizando o próprio nucleotídio como âncora, não apresenta bons resultados para detecção, já que os sinais para as fitas simples e dupla são bem próximos. Para o caso da adsorção horizontal de DNA em grafeno nossos resultados indicaram que os dois sinais podem ser distinguíveis, mostrando potencial promissor para sensitividade e seletividade.

Les processus d’oxydo-réduction impliquant des molécules organiques se retrouvent très fréquemment dans les protéines. Ces réactions comprennent généralement des transferts d’électrons et de protons qui se traduisent dans le bilan réactionnel par des transferts couplés proton-électron, des transferts simples d’hydrogène, d’hydrure... Une des principales méthodes pour élucider ces mécanismes est fournie par l'évaluation de grandeurs thermodynamiques et cinétiques. Expérimentalement, ces informations sont cependant obtenues avec une résolution temporelle souvent limitée à la milli/microseconde. Les simulations numériques présentées ici complètent, à des échelles de temps plus courtes (femto, pico, nanosecondes), ces données expérimentales. Il existe de nombreuses méthodes de simulations dédiées à l’étude de mécanismes redox dans les protéines combinant la description quantique des réactifs (QM) nécessaire à l’étude des changements d’états électroniques et la description classique de l’environnement (MM), l'échantillonnage de conformations se faisant grâce à des simulations de dynamique moléculaire (MD). Ces méthodes diffèrent par la qualité de la description du mécanisme réactionnel et le coût en temps de calcul. L’objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes de différents processus impliquant des transferts de protons et d’électrons en recherchant à chaque fois les outils adaptés. Elle comporte trois parties : i) l’évaluation de potentiels redox de cofacteurs quinones ; ii) la description du mécanisme d’oxydation du L-lactate dans l’enzyme flavocytochrome b2 ; iii) la décomposition d’un transfert formel d’hydrure entre deux flavines au sein de la protéine EmoB. Dans le cas du calcul des potentiels redox, nous utilisons une méthode notée QM+MM où la description électronique se fait en phase gaz au niveau DFT tandis que les simulations de MD s’effectuent classiquement. Nous appliquons l’approximation de réponse linéaire (ARL) pour décrire la réponse du système aux étapes de changement d’état de protonation ou d’oxydation de la fonction quinone ce qui aboutit au calcul du potentiel redox théorique. Nous avons ainsi pu établir une courbe de calibration des résultats théoriques en fonction des données expérimentales, confirmant la validité de l'ARL pour les cofacteurs quinones dans l’eau. La méthode a été étendue à la protéine MADH mais les limites de l’ARL ont été atteintes du fait des fluctuations importantes de l’environnement. L’étude de l’oxydation du L-lactate en pyruvate repose sur le calcul de surfaces d'énergie libre au niveau AM1/MM. Ces surfaces sont obtenues à l’aide de simulations de MD biaisées puis corrigées à l’aide de calculs d’énergies DFT. Différents chemins de réactions impliquant les transferts d’un proton et d’un hydrure du substrat vers une histidine et une flavine respectivement ont pu être identifiés. Ces transferts peuvent être séquentiels ou concertés suivant la conformation du site actif ou les mutations effectuées. Les surfaces concordent avec les effets observés expérimentalement. Les barrières obtenues restent cependant supérieures à celles attendues ouvrant la voie à d’autres simulations. La décomposition du mécanisme de transfert d’hydrure en transfert d’électron et d’atome d’hydrogène s’appuie sur de longues simulations classiques et des calculs d’énergies au niveau DFT contrainte (cDFT)/MM. La DFT contrainte permet de décrire les états diabatiques associés au transfert d’électron à différents stades du transfert d’hydrogène. En appliquant l’ARL, nous pouvons construire des paraboles correspondant aux états diabatiques et déterminer la séquence des évènements de transfert d'électron et d’hydrogène. La comparaison entre milieux protéique et aqueux nous a permis d’établir que le rôle de la protéine dans le transfert d'hydrure global est de bloquer le transfert d’électron en l’absence du transfert d’hydrogène empêchant ainsi la formation de flavines semi-réduites
Redox processes involving organic molecules are ubiquitous in proteins. They generally imply global reactions such as Proton Coupled Electron Transfers, hydrogen atom or hydride transfers which can be decomposed into both electrons and proton transfers. Kinetic and thermodynamic information leads to a better understanding of these mechanisms. However, experiments are often limited to a milli- or microsecond timescales. We present here numerical simulations allowing modeling at shorter timescales (femto, pico or nanosecond) to complete experimental data. Many numerical methods combine quantum description (QM) of the active center and classical description (MM) of the environment to describe redox transformations into biological media. Molecular dynamics (MD) simulations allowed a conformational sampling of the global system. Nevertheless, depending on their level of description of the QM part, the methods can cost more or less CPU time to get a good conformational sampling. In this thesis, we have studied different redox mechanisms involving both proton and electron transfers with a particular care paid to the balance between quality of the electronic description and of conformational sampling. For each mechanism, the coupled proton and electron transfers are investigated differently. This manuscript thus falls into three parts: i) the evaluation of the redox potentials quinone derivatives ; ii) the mechanistic description of the L-lactate oxidation into pyruvate in the flavocytochrome b2 enzyme; iii) decomposition of the formal hydride transfer occurring between two flavins in EmoB protein. A QM+MM scheme is chosen to evaluate redox potential of quinone cofactors: the electronic behavior is described at DFT level in gas phase while classical MDs provide a large conformational sampling of the molecule and its environment. Deprotonation and oxidation free energies are estimated by applying the linear response approximation (LRA). We finally get a theoretical value of the redox potential for different quinocofactors in water and a calibration curve of these theoretical results in function of experimental data. This curve allowed predictions of quinone redox potentials in water with a good accuracy (less than 0.1 eV). We also try our method on the MADH protein containing a Tryptophan Tryptophilquinone cofactor. However, because of great fluctuations of the environment, the LRA is not suitable for this system. This underlines the limits of our methodology. The oxidation of L-lactate to pyruvate is described by free energy surfaces obtained at AM1/MM level. Biased MDs provide the AM1/MM profile which is then corrected at DFT level. Several reactions pathways have been noticed. They consist in sequential or concerted transfers of a proton from L-lactate to a histidine and a hydride from L-lactate to a flavin cofactor. The coupling between the two transfers depends on the conformation of the active site or on the mutations. The obtained surfaces fit qualitatively the experimental data but the theoretical activation barriers are too high. Other simulations must be explored: different methods, other mechanism... Finally, a combination of long classical MDs and constrained DFT (cDFT)/MM are employed to decompose a hydride transfer between two flavins into one hydrogen atom and one electron transfer. cDFT methodology allow us to describe diabatic states associated to the electron transfer during the hydrogen atom transfer. Applying the LRA, we can build parabola of the diabatic and determine the sequence of the two transfers. The comparison of our results in the EmoB protein or in aqueous medium shows that the protein allows the electron transfer only if the hydrogen atom transfer is happening. By this way, no semi-reduced flavin is created

Durant cette thèse, nous avons abordé l'étude de la réactivité en phase gazeuse des biomolécules. L’avènement des techniques d’ionisation douces telle que l’ionisation par éléctronébulisation, a rendu possible ces dernières années, la formation d'ions en phase gazeuse sans dégrader la biomolécule étudiée.La Dissociation Induite par Collision (CID) est un cas particulier de spectrométrie de masse en tandem, que nous avons utilisée durant ce travail. Le principe du CID est d'activer les modes rovibrationnelles d’un système moléculaire ionique par collision avec un gaz inerte, ce qui augmente la probabilité de fragmentation de l'ion. Bien qu'étant une technique très utile d'un point de vue analytique, la spectrométrie de masse en tandem ne donne pas d'informations sur les mécanismes des réactions se produisant dans la cellule de collision; afin d’obtenir ces informations, les simulations de dynamique chimiques apparaissent comme un outil satisfaisant. En effet, en utilisant la dynamique directe, nous évitons ainsi d'explorer la totalité de la surface d'énergie potentielle, qui devient compliquée lors de l’étude d’édifices moléculaires de grande taille. Etant donné que les simulations de dynamique chimiques sont limitées à de courtes échelles, de l’ordre de la dizaine de picosecondes, nous avons également employé la théorie unimoléculaire RRKM (Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus) pour étudier la réactivité à des temps plus longs, en vue de comprendre les processus réactionnels se produisant à l’issue du processus de relaxation vibrationnelle intramoléculaire (IVR). Durant ce travail de thèse, nous avons choisi d'étudier comme système modèle de base nucléique la molécule d'uracile. Par ailleurs,nous avons aussi étudié la réactivité en phase gazeuse de sucres (cellobiose, maltose et gentiobiose), qui ont été au préalable dérivatisés afin de localiser la charge sur la molécule et ainsi simplifier l’étude théorique associée
In the present thesis, we address the study of the reactivity of biomolecules in the gasphase.The advent of soft ionization techniques such as electrospray ionization, made possible, in the last years, the gentle formation of ions in the gas phase without breaking the molecule understudy.Collision Induced Dissociation (CID) is aparticular case of tandem mass spectrometrydynamics simulations are pointed like asatisfactory tool. Using direct dynamics weavoid exploring the whole potential energysurface, which becomes really complicatedwhen dealing with big molecules.Since chemical dynamics simulations arerestricted to the short time scale reactivity,typically ~10ps, we make use of the Rice–Ramsperger–Kassel–Marcus (RRKM)unimolecular theory to study the reactivity atUniversité Paris-SaclayEspace Technologique / Immeuble DiscoveryRoute de l’Orme aux Merisiers RD 128 / 91190 Saint-Aubin, Francethat we use in the present thesis. The aim of CIDis to activate the rovibrational modes of an ionicmolecular system by collisions with an inert gas,increasing the probability of the ion of beingfragmented.Despite being a really useful technique, tandemmass spectrometry does not give informationabout the mechanisms of the reactions takingplace in the collision cell; in order to obtain suchinformation, chemicallonger time scales to understand reaction pathsthat take place after intramolecular vibrationrelaxation (IVR).In the present thesis we have chosen to study asmodel system of nucleobase the uracil molecule.Furthermore, we also studied the gas-phase reactivity of carbohydrates (cellobiose, maltose and gentiobiose), which were preliminarily derivatized in order to simplify the charge localization, and consequently the theoretical study

Les processus d'oxydo-réduction impliquant des molécules organiques se retrouvent très fréquemment dans les protéines. Ces réactions comprennent généralement des transferts d'électrons et de protons qui se traduisent dans le bilan réactionnel par des transferts couplés proton-électron, des transferts simples d'hydrogène, d'hydrure... Une des principales méthodes pour élucider ces mécanismes est fournie par l'évaluation de grandeurs thermodynamiques et cinétiques. Expérimentalement, ces informations sont cependant obtenues avec une résolution temporelle souvent limitée à la milli/microseconde. Les simulations numériques présentées ici complètent, à des échelles de temps plus courtes (femto, pico, nanosecondes), ces données expérimentales. Il existe de nombreuses méthodes de simulations dédiées à l'étude de mécanismes redox dans les protéines combinant la description quantique des réactifs (QM) nécessaire à l'étude des changements d'états électroniques et la description classique de l'environnement (MM), l'échantillonnage de conformations se faisant grâce à des simulations de dynamique moléculaire (MD). Ces méthodes diffèrent par la qualité de la description du mécanisme réactionnel et le coût en temps de calcul. L'objectif de cette thèse est d'étudier les mécanismes de différents processus impliquant des transferts de protons et d'électrons en recherchant à chaque fois les outils adaptés. Elle comporte trois parties : i) l'évaluation de potentiels redox de cofacteurs quinones ; ii) la description du mécanisme d'oxydation du L-lactate dans l'enzyme flavocytochrome b2 ; iii) la décomposition d'un transfert formel d'hydrure entre deux flavines au sein de la protéine EmoB. Dans le cas du calcul des potentiels redox, nous utilisons une méthode notée QM+MM où la description électronique se fait en phase gaz au niveau DFT tandis que les simulations de MD s'effectuent classiquement. Nous appliquons l'approximation de réponse linéaire (ARL) pour décrire la réponse du système aux étapes de changement d'état de protonation ou d'oxydation de la fonction quinone ce qui aboutit au calcul du potentiel redox théorique. Nous avons ainsi pu établir une courbe de calibration des résultats théoriques en fonction des données expérimentales, confirmant la validité de l'ARL pour les cofacteurs quinones dans l'eau. La méthode a été étendue à la protéine MADH mais les limites de l'ARL ont été atteintes du fait des fluctuations importantes de l'environnement. L'étude de l'oxydation du L-lactate en pyruvate repose sur le calcul de surfaces d'énergie libre au niveau AM1/MM. Ces surfaces sont obtenues à l'aide de simulations de MD biaisées puis corrigées à l'aide de calculs d'énergies DFT. Différents chemins de réactions impliquant les transferts d'un proton et d'un hydrure du substrat vers une histidine et une flavine respectivement ont pu être identifiés. Ces transferts peuvent être séquentiels ou concertés suivant la conformation du site actif ou les mutations effectuées. Les surfaces concordent avec les effets observés expérimentalement. Les barrières obtenues restent cependant supérieures à celles attendues ouvrant la voie à d'autres simulations. La décomposition du mécanisme de transfert d'hydrure en transfert d'électron et d'atome d'hydrogène s'appuie sur de longues simulations classiques et des calculs d'énergies au niveau DFT contrainte (cDFT)/MM. La DFT contrainte permet de décrire les états diabatiques associés au transfert d'électron à différents stades du transfert d'hydrogène. En appliquant l'ARL, nous pouvons construire des paraboles correspondant aux états diabatiques et déterminer la séquence des évènements de transfert d'électron et d'hydrogène. La comparaison entre milieux protéique et aqueux nous a permis d'établir que le rôle de la protéine dans le transfert d'hydrure global est de bloquer le transfert d'électron en l'absence du transfert d'hydrogène empêchant ainsi la formation de flavines semi-réduites.

Les molécules se trouvent très rarement isolées, ceci implique qu'une modélisation de leur environnement doit être faite lors du calcul de propriétés physiques ou chimiques. Il est possible de considérer l'environnement par plusieurs méthodes de chimie théorique. Le modèle du continuum polarisable est un exemple dont les premières applications ont maintenant plus de 30 ans. Ce modèle permet de reproduire l'influence d'un solvant mais n'est pas capable de représenter des milieux fortement anisotropes tels que les macro-molécules. Afin de représenter de tels environnements, des méthodes couplant la mécanique quantique, pour le traitement de la partie d'intérêt chimique ou physique, et la mécanique moléculaire pour la représentation de l'environnement, ont été développées. Cette thèse est consacrée à l'étude de complexes de ruthénium en interaction avec l'ADN. Leurs spectres d'émission présentent des particularités trés intéressantes dues à cette interaction. Nous montrons que les propriétés photophysiques calculées doivent prendre en compte l'environnement. En particulier, nous avons utilisé une méthode permettant de modéliser la réponse électronique de l'environnement lors de transitions électroniques verticales. Les états triplets de ces complexes intercalés entre deux paires de bases de l'ADN sont également étudiés. En effet, les propriétés d'émission sont liées à la nature de ces derniers et il est important de modéliser de façon correcte le double-brin pour comprendre les mécanismes mis en jeu. Nous avons ainsi donné une interprétation physique à l'effet light-switch
Molecules are rarely isolated and a modelisation of their environment must be carried out when computing their physical or chimical properties. Quantum chemistry offers various ways to take into account this environment. For instance, polarizable continuum model is available for more than 30 years. This model is able to reproduce the influence of a solvent upon a solute but while the environment is becoming less isotropic, serious limitations are found for the model. In order to represent such environments, methods coupling quantum mechanics, for the treatment of the physically or chemically interesting part, and molecular mechanics for the environment have been developped. This thesis is dedicated to the study of ruthenium complexes in interaction with DNA. Moreover, their emission spectra are strongly modified by this interaction. We show that the photophysical properties calculated must take into account the environment. Eventually, we used a methodology able to include effects linked to the electronic response of the surroundings when computing vertical transitions. Triplets of these complexes intercalated between 2 DNA base pairs are also studied. Indeed, emission properties are linked to the nature of these and it is necessary to modelize correctly the double-strand to better understand mecanisms involved. The light-switch effect is then elucidated

L' objectif principal de ce travail a été de développer les méthodologies mixtes QM/MM en vue de leur utilisation pour la simulation de processus chimiques. Nous proposons notamment : - des algorithmes pour accélérer la convergence des calculs SCF, -des nouvelles approches pour calculer les interactions non-électrostatiques QM/MM, -une méthode QMlMM couplée à un modèle du continuum des protocoles pour la paramétrisation du champ de force, la recherche d'une structure de transition dans un environnement complexe et la simulation de trajectoires réactives. La comparaison de nos résultats pour une molécule d'eau dans l'eau avec l'expérience et d'autres travaux théoriques a montré que l'approche QM/MM, à condition d'être convenablement paramétrée, conduit à des résultats tout à fait satisfaisants. Nous avons montré à cette occasion que le modèle du continuum standard sous-estime de façon assez importante le champ de réaction en solution aqueuse. Une autre conclusion issue de cette étude comparative est que des résultats d'une dynamique moléculaire QM/MM peuvent être reproduits par une dynamique moléculaire classique à condition d'utiliser les mêmes paramètres pour les interactions QM/MM non-électrostatiques et un jeu de charges pour les atomes QM équivalent aux charges nettes moyennes de la simulation QM/MM. Ces charges peuvent être estimées aussi directement à partir du modèle QM/MM/Continuum. Nous avons étudié la réaction d'hydrolyse du formamide qui est un modèle pour les processus d'hydrolyse des peptides dont l'importance biochimique est bien connue. La comparaison des différents modèles nous a montré, dans ce cas, la grande sensibilité des résultats au choix de la structure de transition, qui est nécessaire pour démarrer les simulations dans l'approche « rare event ». C'est certainement la principale difficulté à surmonter dans une étude de simulation et les méthodes développées dans cette thèse constituent la réponse la plus élaborée à l'heure actuelle.

Les nanotechnologies utilisées dans le traitement de certaines pathologies permettent actuellement de concevoir des systèmes transporteurs acheminant les principes actifs jusqu'à leurs cibles. Les enjeux sont considérables puisque ces systèmes offrent une protection au principe actif, augmentent la pénétration intracellulaire et le ciblage et donc réduisent les doses à administrer et les effets secondaires. Ces systèmes, appelés vecteurs, peuvent être constitués de polymère biodégradable. Le poly(méthylidène malonate 2. 1. 2), développé par la société de recherche pharmaceutique Virsol, est un des polymères utilisables dans ce domaine. Il présente une faible toxicité et la synthèse relativement aisée de particules à base de ce polymère rend son développement intéressant. Une étude complète de ses propriétés d'agrégation a nécessité la modélisation et la simulation numérique en solvatation explicite d'oligomères de méthylidène malonate 2. 1. 2. Après un chapitre d'introduction sur les vecteurs colloi͏̈daux, nous présenterons les résultats obtenus en dynamique moléculaire puis ceux issus de calculs ab initio.

Ce travail porte sur le développement de nouvelles méthodes de caractérisation in-situ basées sur les spectroscopies électroniques XPS et MM-EPES associées à des calculs théoriques obtenus grâce à des simulations Monte-Carlo afin de réaliser des études quantitatives fines et précises. La première partie de ce travail, a été consacrée à l’analyse quantitative de signaux XPS et MM-EPES. Pour cela, dans un premier temps, la fonction de correction de l’analyseur hémisphérique (HSA) qui est une combinaison de l’aire d’analyse (A) et de la transmission (T) a été déterminée en utilisant une nouvelle méthode basée sur des images élastiques. Pour la première fois, la dépendance de A en énergie cinétique des électrons a été mise en évidence. Avec l’utilisation de cette nouvelle fonction, une méthode de caractérisation in situ basée sur la modélisation théorique des signaux XPS et MM-EPES a été développée. Cette méthode a permis d’étudier le dépôt d’un film d’or sur un substrat de silicium oxydé et a montré une grande précision dans le cas de très faibles quantités de matière déposée (< 2 nm) alors que les techniques microscopiques classiques se sont révélées inefficaces. La deuxième partie a porté sur le développement d’une nouvelle technique d’imagerie in-situ appelé MM-EPEM qui consiste à scanner la surface par un faisceau d’électrons et de collecter les électrons rétrodiffusés élastiquement afin de construire une image en intensité de la surface. Les étapes d’obtention des images MM-EPEM et les procédures d’exploitation de ces dernières ont été décrites et optimisées. Ensuite, cette technique a été utilisée pour l’étude de l’état de surface de dépôts d’or sur différents substrats. Cette technique s’avère être non destructive et très sensible aux éléments présents à la surface. Et elle permet de déterminer la cartographie chimique et la nano-organisation de la surface
This thesis focuses on the development of new in-situ methods of characterization based on the electron spectroscopies (XPS and EPES) coupled with theoretical calculations obtained through Monte-Carlo simulations in order to perform very precise quantitative studies. The first part of this thesis was devoted to quantitative studies of XPS and MM-EPES measurements. Firstly, the correction function of a hemispherical analyzer (HSA) which is a combination of the analysis area (A) and the transmission (T) was determined using a new method based on the elastic images. For the first time, the dependence of A on the kinetic energy of electrons was highlighted. Using this function, an in-situ method based on the combination of XPS and MM-EPES modeling was setting up. This method was used to determine the organization of gold film deposed on oxidized silicon substrate. Measurements show that this method is able to determine surface parameters when the microscopy techniques do not give any information in the case of a small quantity of gold deposit (less than 2 nm). The second part of this work was directed towards developing a new generation of microscopy called MM-EPEM which is based on the detection of elastic electrons. The stages required to obtain these images are well described and optimized here. The MM-EPEM images processing was used to study gold growth on different substrates. This technique is a non-destructive method and allows the operator to construct chemical tomography and to determine the nano-organization of the surface

The aim of this thesis, which deals with the modernization of the Zeiss/Tesa device, which is designed to calibrate the gauge blocks, is to provide a detailed analysis of the current state of the art of this instrument and to search for gauge blocks calibration requirements. The introductory part of the thesis is devoted to the definition of basic metrological concepts and terms. One of the separate chapters contains a elaborate description of the Zeiss/Tesa device and the possibilities of its modernization. A qualified estimation of the measurement uncertainty is determined in the practical part of the thesis and a simulation of the measurement uncertainty is performed using the Monte Carlo method. The final chapter contains the technical documentation of the proposed modernization.

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, June 2004.
"May 2004."
Includes bibliographical references (leaves 38-39).
Subsequent to accurate 2D inverse modeling in the regime sensitive to electrostatics of industrial sub-50 nm NMOSFETs, a 2D full-band Monte Carlo device simulator was calibrated in the regime sensitive to transport parameters. The relationship between electron mobility and high-electric-field velocity at the source-channel potential energy barrier was investigated. The results show a strong correlation, as was demonstrated previously experimentally. Moreover, further proof is provided that the velocity at which carriers are injected from the source region in modem NMOSFET's is only about half of the limiting thermal velocity.
by Osama Munir Nayfeh.
S.M.

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
In this research we studied the structural and electronic properties of the ground state of molecules amino-benzonitrile (ABN) and dimethylamino-benzonitrile (DMABN), isolated and in different solvents.We performed computer simulations of those molecules in different solvents as cyclohexane, dichloromethane, acetonitrile and water. The structure electronic method MP2 (second order perturbation Møller-Plesset) was used to perform quantum calculations. To study the molecules in solvent we used the hybrid sequential QM/MM method combined with the free energy gradient method. The dual fluorescence to this type of molecules is a process that has been much studied but it is not well clarified that is the cause of the process. We performed the optimization of the molecules in an isolated state and in different solvents to determine the ground state structure. In the case of the DMABN molecule the optimization was performed both at room temperature and at low temperature, near the melting point of the solvent. We studied minimum energy point and some transition states of this molecules associated with the pyramidalization or the rotation of the amino group. The results showed that the molecules are pyramidal when they are isolated, and that in polar solvent they became less pyramidal. The rotation of amino group is unfavored in both molecules, increasing this effect in polar solvents.
Neste trabalho foram estudadas as propriedades estruturais e eletrônicas do estado fundamental das moléculas amino-benzonitrila (ABN) e dimetilamino-benzonitrila (DMABN), isoladas e em diferentes meios solventes. Foram realizadas simulações computacionais das moléculas em diferentes meios como, ciclohexano, diclorometano, acetonitrila e água. O método de estrutura eletrônica MP2 (Møller-Plesset em segunda ordem de perturbação) foi usado para fazer os cálculos quânticos. Para o estudo das moléculas em meio foi utilizado o método hibrido QM/MM sequencial combinado com o método de gradiente de energia livre. A dupla fluorescência para este tipo de moléculas é um processo que tem sido bastante estudado, mas ainda não está bem esclarecido qual é o causador do processo. Foram realizadas as otimizações das moléculas em estado isolado e nos diferentes meios, para determinar a estrutura do estado fundamental. No caso da molécula de DMABN a otimização foi feita tanto em temperatura ambiente como em baixas temperaturas, próximas do ponto de fusão dos solventes. Foram estudados pontos de mínimo e alguns estados de transição dessas moléculas associados à piramidalização ou à rotação do grupo amino. Os resultados mostram que essas moléculas são piramidais quando isoladas, e que em meio polar elas se tornam menos piramidais. A rotação do grupo amino é desfavorável em ambas as moléculas, aumentando esse efeito em meios polares.

Cette thèse a apporté une contribution au défi de la caractérisation des canaux radios en bandes millimétriques ainsi que la validation d'un outil de simulation déterministe à travers un grand nombre de campagnes de mesures réalisées dans divers scénarios représentatives. Des questions de recherche liées à la caractérisation des canaux radio en bandes millimétriques et sa prédiction à travers un outil de simulation déterministe ont été abordées. Fournir des résultats précis et reproductibles est nécessaire dans le développement d'un système de communication. Ce défi peut être relevé en réalisant des campagnes de mesures qui capturent la réalité du canal de propagation constituant le point de départ. Dans cette thèse, les principales motivations scientifiques derrière ces campagnes de mesures étaient d'étudier la variabilité dans le temps et l'effet de l'environnement sur le canal de propagation dans les bandes millimétriques. Les bandes de fréquences adressées dans cette thèse sont identifiées comme étant importantes par l'UIT en vue d'un futur déploiement de la 5G à savoir 15, 28, 32 et 83 GHz. Les environnements considérés sont une conférence room, bureau, bibliothèque et micro-cellulaire. Les campagnes de mesures ont été menées en utilisant un sondage de canal fréquentiel avec l'utilisation d'un analyseur de réseau. L'exploitation des résultats de mesures ont permis d'apporter des éléments de réponses concernant le canal de propagation dans ces bandes de fréquences. D'autre part, les données de mesures ont été utilisés pour évaluer les performances et contribuer à la calibration d’un simulateur de canal radio à tracé de rayons (RT) reposant sur une approche déterministe. Le simulateur de canal déterministe utilisé dans cette thèse incorpore les mécanismes de propagation tels que le LOS, la réflexion et la diffraction. Le RT a permis de prédire le canal de propagation dans les bandes millimétriques avec une concordance acceptable avec les données de mesures. Ces résultats démontrent que le canal de propagation en bandes millimétriques a pour avantage d'être prédit avec de simple outil déterministe
This thesis has contributed to the challenge of the radio channel characterizations in millimeter wave bands as well as the validation of a deterministic simulation tool through a large number of measurement campaigns carried out in various representative scenarios. Research questions related to the characterization of radio channels in millimetric bands and its prediction through a deterministic simulation tool were discussed. Providing accurate and repeatable results is necessary for the development of a communication system. This challenge can be meet by conducting measurement campaigns that capture the reality of the propagation channel and therefore constituting the starting point. In this thesis, the main scientific motivations behind these measurement campaigns were to study the time variability and the effect of the scattering environment of the propagation channel in the millimetric bands. The frequency bands addressed in this thesis are identified as important by the ITU for a future deployment of 5G, namely 15, 28, 32 and 83 GHz. The environments considered are a conference room, office, library and microcellular. The measurement campaigns were conducted using a frequency channel sounding technique with the use of a vector network analyzer. The exploitation of the measurement data provided some answers about the radio chennel propagation in these frequency bands. On the other hand, the measurements data were used to evaluate the performance and to contribute to the calibration of the ray-tracing tool (RT) based on a deterministic approach. The RT used in this thesis incorporates propagation mechanisms such as LOS, reflection and diffraction. The RT predicted the propagation channel in the millimeter bands with an acceptable level of agreement with respect to the measurement data. These results demonstrate that the propagation channel in millimetric bands has the advantage of being predicted with a simple deterministic tool

La spectroscopie EPES (Elastic Peak Electron Spectroscopy) permet de mesurer le pourcentage he d'électrons rétrodiffusés élastiquement par la surface d'un échantillon soumis à un bombardement électronique. C'est une méthode non destructive et extrêmement sensible à la surface. L'objectif de ce travail est de modéliser le cheminement des électrons élastiques dans la matière grâce à une simulation informatique basée sur la méthode Monte Carlo. Cette simulation contribue de manière essentielle à la connaissance et à l'interprétation des résultats expérimentaux obtenus par spectroscopie EPES. Nous avons, de plus, adapté cette simulation à différentes surfaces transformées à l'échelle micrométrique et nanométrique. A l'aide d'une méthode originale, basée sur une description couche par couche du matériau, j'ai réalisé un programme informatique (MC1) rendant compte du cheminement des électrons élastiques dans les différentes couches du matériau. Le nombre d'électrons ressortant de la surface dépend de nombreux paramètres comme : la nature du matériau à étudier, l'énergie des électrons incidents, l'angle d'incidence, les angles de collection des analyseurs. De plus, je me suis intéressé à l'effet de la rugosité de la surface et j'ai démontré qu'elle joue un rôle déterminant sur l'intensité du pic élastique. Ensuite, grâce à l'association de la spectroscopie EPES et de la simulation Monte Carlo, j'ai déduit les modes de croissance de l'or sur substrat d'argent et de cuivre. Les effets de l'arrangement atomique et des pertes énergétiques de surfaces ont ensuite été étudiés. Pour cela, une deuxième simulation MC2 tenant compte de ces deux paramètres a été réalisée permettant d'étudier les surfaces à l'échelle nanométriques. Ces paramètres jusqu'alors non pris en compte dans notre simulation MC1, joue un rôle essentiel sur l'intensité élastique. Ensuite, j'ai obtenu une formulation simple et exploitable pour l'interprétation des résultats obtenus par la simulation MC2 pour un analyseur RFA. Afin de valider, les différents résultats de la simulationMC2, j'ai réalisé des surfaces de silicium nanostructurées, à l'aide de masques d'oxyde d'alumine réalisés par voie électrochimique. J'ai pu créer des nano-pores par bombardement ionique sous ultravide sur des surfaces de silicium. Afin de contrôler la morphologie de la surface, j'ai effectué de l'imagerie MEB ex-situ. La simulation Monte Carlo développée associée aux résultats EPES expérimentaux permet d'estimer la profondeur, le diamètre et la morphologie des pores sans avoir recours à d'autres techniques ex-situ.Cette simulation MC2 permet de connaître la surface étudiée à l'échelle nanométrique.

Ballistic testing is a vital part of the armor design. However, it is impossible to test every condition and it is necessary to limit the number of tests to cut huge costs. With the intro- duction of hydrocodes and high performance computers
there is an increasing interest on simulation studies to cutoff these aforementioned costs. This study deals with the numerical modeling of ballistic impact phenomena, regarding the ballistic penetration of hardened steel plates by 7.62 mm AP (Armor Piercing) projectile. Penetration processes of AP projectiles are reviewed. Then, a survey on analytical models is given. After the introduction of fun- damentals of numerical analysis, an intensive numerical study is conducted in 2D and 3D. Johnson Cook strength models for the four different heat treatments of AISI 4340 steel were constructed based on the dynamic material data taken from the literature. It was found that 2D numerical simulations gave plausible results in terms of residual projectile velocities, con- sidering the literature review. Then, 3D numerical simulations were performed based on the material properties that were selected in 2D studies. Good agreement was obtained between the numerical and test results in terms of residual projectile velocities and ballistic limit thick- nesses. It was seen that the ballistic protection efficiency of the armor plates increases with the increasing hardness, in the examined range. This study is a part of T¨
ubitak project 106M211 of MAG.

Les processus réactionnels des systèmes biologiques sont désormais modélisés par des méthodes de plus en plus précises de mécanique quantique (MQ) associées aux champs de force de mécanique moléculaire (MM). Cette amélioration induit des complications dans le traitement habituel des interactions électrostatiques MQ/MM. Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une approche plus cohérente pour le calcul de ces interactions. Dans une seconde partie, nous avons appliqué certaines méthodes de simulation numérique aux protéines fluorescentes. Une étude de dynamique moléculaire a révélé de fines interactions de van der Waals qui conditionnent l'amélioration des propriétés de fluorescence dans la Cerulean par rapport à l'ECFP (Enhanced Cyan Fluorescent Protein). Nous avons également étudié le mécanisme de photoconversion de la protéine fluorescente EosFP par l'utilisation de potentiels MQ/MM appropriés au traitement des états excités. Finalement, la stabilité thermodynamique des différents états structuraux de la protéine IrisFP a été évaluée. Ces études de modélisation moléculaire améliorent notre compréhension des protéines fluorescentes afin de contribuer à leur développement pour l'imagerie cellulaire
Reaction processes in biological systems are henceforth modeled by more and more advanced quantum mechanics (QM) methods coupled with force fields of molecular mechanics (MM). This improvement involves problems in the usual treatment of the QM/MM electrostatic interactions. In the first part of the thesis, we have developed a more consistent approach for the calculation of these interactions. In a second part, we have applied some computational methods to fluorescent proteins. A molecular dynamics study has revealed weak van der Waals interactions which control the improved fluorescence for Cerulean, a variant of ECFP (Enhanced Cyan Fluorescent Protein). We have also investigated the photoconversion mechanism of the fluorescent protein EosFP using predictive QM/MM potentials for excited states. Finally, thermodynamic stability of different structures in IrisFP has been estimated. These molecular modeling studies improve our knowledge about fluorescent proteins in order to develop more advanced highlighters for cell imaging

Afin d'améliorer les performances des systèmes d'armes, les industriels de l'armement envisagent la mise en service de projectiles intégrant une capacité de correction de trajectoires. Le principal objectif consiste à proposer de nouveaux dispositifs de correction permettant de réduire l'erreur de dispersion de l'engin. Dans le cadre de projectiles aérostabilisés, le contrôle de leurs trajectoires est assuré à l'aide de surfaces portantes, technologie éprouvée depuis de nombreuses décennies. Néanmoins, le contrôle de la trajectoire d'un projectile gyrostabilisé s'avère plus délicat. En effet, les conditions extérieures de ce dernier varient du régime haut subsonique au régime supersonique. Le dispositif de contrôle doit par conséquent être adapté à tous les régimes de vol. De plus, une vitesse de rotation est inculquée au projectile afin de le stabiliser au cours de son vol. Cette rotation représente une énorme contrainte puisque le dispositif doit agir dans une direction azimutale donnée afin de générer une déviation significative. Il doit en plus être facilement implémentable et conserver un coût raisonnable. Ces travaux se proposent par conséquent d'évaluer un dispositif de contrôle prometteur et adapté aux contraintes décrites précédemment : l'effet Coanda. Des simulations RANS et URANS ont été initialement réalisées afin d'évaluer les efforts aérodynamiques générés par cet effet. Des simulations de mécanique du vol ont ensuite été conduites afin de déterminer les déviations engendrables par ce dispositif. Une simulation des grandes échelles d'une configuration simplifiée contrôlée par effet Coanda est finalement proposée afin d'améliorer notre compréhension des mécanismes physiques induits par l'utilisation d'un tel dispositif
In order to increase weapons performances, manufacturers consider to produce projectiles incorporating a trajectory correction capability. The main goal is also to reduce the projectile scattering error. For aero-stabilized munitions, the control of the projectile path is carried out via airfoil surfaces, technologies mastered for decades. However, the control of a spin-stabilized projectiles is much more complex. Indeed, the flight conditions of a 155 mm spin-stabilized projectile range from high subsonic to supersonic velocities so the control device has to be adapted to all flight regimes. Moreover, the projectile has to spin to insure its stability during the flight. Then, the control devices have to be actuated at the projectile spin rate to create a significant deviation. These devices need to be low-cost and easily installed in the projectile too. This work also focuses on a promising fluidic control adapted to the previous constraints: the Coanda effect. RANS and URANS computations are performed to evaluate the aerodynamic forces generated by the Coanda effect for respectively a spinning and a non-spinning projectile. Then, 6-dof flight mechanics simulations are realized to assess the downrange and crossrange deviation of the controlled projectile. Finally, a large-eddy simulation of a simplified geometry has been conducted in order to improve our understanding of the physical mechanisms induced by the control device

La thèse porte sur l’étude des 2 premières enzymes de la voie du MEP: la DXS et DXR. La voie du MEP conduit à la biosynthèse des isoprénoïdes chez la plupart des bactéries, dont des pathogènes. Etant absente chez l’homme, les enzymes de cette voie cible idéale pour la recherche de nouveaux antimicrobiens. L’objectif principal était d’améliorer le développement de nouveaux antimicrobiens. Nous avons utilisé des outils computationnels : méthodes de docking et de mécanique moléculaire couplée à la méthode MM/PBSA. Nous avons identifié les résidus contribuant significativement à la fixation d’un ligand dans le site actif de la DXR. Ces résultats ont été utilisés lors de la conception de nouveaux candidats inhibiteurs de type bisubstrat, biligand et difluoro phosphonate, dont 2 ont pu être synthétisés. Nous avons également développé une méthode de synthèse donnant accès au L- et D-GAP énantiomeriquement purs, dans le but d’étudier l’énantiospécificité de la DXS face à son substrat D-GAP
This thesis concerns the study of the 2 first enzymes of the MEP pathway: DXS and DXR. The MEP pathway permits the biosynthesis of isoprénoïdes in most bacteria, including pathogenic one. As it is not present in human, enzymes of MEP pathway are effective targets in the research of new antimicrobial drugs. The objective was to advance the development of new antimicrobiotic compounds. We used computational tools: molecular docking and molecular dynamics simulations coupled with an MM/PBSA approach. We were able to identify residues that contribute significantly to the ligand binding in the DXR active site. These results were used to guide the conception of new inhibitor models, such as bisubstrates, biligands and α,α-difluoro phosphonates, two of which were synthetized. We also developed a synthesis method to obtain L- and D-GAP as enantiomerically pure molecules. The goal was to study the enantiospecificity of DXS to its substrate, D-GAP

Tato práce se se zabývá návrhem kinematiky zavěšení kol obou náprav. Na základě analýz jízdních dat, multi-body simulací v softwaru Adams Car, simulací v Matlabu a analytických kalkulací v Mathcadu, je navržena řada změn s cílem zlepšit jízdní vlastnosti vozu Formule student, tyto změny jsou následně implementovány do CAD modelu vozu. Jednotlivé změny kinematiky náprav jsou provedeny na základě analýzy konkrétního problému, který se snaží řešit. Jednou z problematik je zástavbová náročnost systému odpružení a zavěšení zadních kol, zde je cílem snížit hmotnost, výšku těžiště a moment setrvačnosti. Další problematikou je geometrie předního kola, kde je cílem zlepšit využití pneumatik a snížit síly v řízení. Dále se práce zabývá simulacemi elastokinematiky zadní nápravy, součástí je také návrh měřícího zařízení. V poslední části je zkoumán vliv provedených změn i elastokinematiky na jízdní dynamiku vozu v ustálených stavech za pomocí MM metody simulované s modelem celého vozu v Adams Car a zpracované v Matlabu.

The thesis contains two directions in the simulations of biomolecular systems. The first part (Chapter 2 - Chapter 4) mainly focuses on the simulations of electron transfer processes in condensed phase; the second part (Chapter 5 - Chapter 6) investigates the conformational sampling of polysaccharides and proteins. Electron transfer (ET) reaction is one of the most fundamental processes in chemistry and biology. Because of the quantum nature of the processes and the complicated roles of the solvent, calculating the accurate kinetic and dynamic properties of ET reactions is challenging but extremely useful. Based on the Marcus theory for thermal ET in weak coupling limit, we combined the rigorous ab initio quantum mechanical (QM) method and well-established molecular mechanical (MM) force field and developed an approach to directly calculate a key factor that affects the ET kinetics: the redox free energy. A novel reaction order parameter fractional number of electrons (FNE) was used to characterize the ET progress and to drive the QM/MMMD sampling of the nonadiabatic free energy surface. This method was used for two aqueous metal cations, iron and ruthenium in solution, and generated satisfactory results compared to experiments. In order to further reduce the computational cost, a QM/MM-minimum free energy path (MFEP) method is implemented and combined with the FNE in the calculation of redox free energies. The calculation results using QM/MM-MFEP+FNE generated identical results as the direct QM/MM-MD method for the two metal cations, demonstrating the consistency of the two different sampling strategy. Furthermore, this new method was applied to the calculation of organic molecules and enhanced the computational efficiency 15-30 times than the direct QM/MM-MD method, while maintaining high accuracy. Finally, I successfully extended the QM/MM-MFEP+FNE method to a series of redox proteins, azurin and its mutants, and obtained very accurate redox free energy differences with relative error less than 0.1 eV. The new method demonstrated its excellent transferability, reliability and accuracy among various conditions from aqueous solutions to complex protein systems. Therefore, it shows great promises for applications of the studies on redox reactions in biochemistry. In the studies of force-induced conformational transitions of biomolecules, the large time-scale difference from experiments presents the challenge of obtaining convergent sampling for molecular dynamics simulations. To circumvent this fundamental problem, an approach combining the replica-exchange method and umbrella sampling (REM-US) is developed to simulate mechanical stretching of biomolecules under equilibrium conditions. Equilibrium properties of conformational transitions can be obtained directly from simulations without further assumptions. To test the performance, we carried out REM-US simulations of atomic force microscope (AFM) stretching and relaxing measurements on the polysaccharide pustulan, a (1→6)-β-D-glucan, which undergoes well-characterized rotameric transitions in the backbone bonds. With significantly enhanced sampling convergence and efficiency, the REMUS approach closely reproduced the equilibrium force-extension curves measured in AFM experiments. Consistent with the reversibility in the AFM measurements, the new approach generated identical force-extension curves in both stretching and relaxing simulations, an outcome not reported in previous studies, proving that equilibrium conditions were achieved in the simulations. In addition, simulations of nine different polysaccharides were performed and the conformational transitions were reexamined using the REM-US approach. The new approach demonstrated consistent and reliable performance among various systems. With fully converged samplings and minimized statistical errors, both the agreement and the deviations between the simulation results and the AFM data were clearly presented. REM-US may provide a robust approach to modeling of mechanical stretching on polysaccharides and even nucleic acids. However, the performance of the REM-US in protein systems, especially with explicit solvent model, is limited by the large system size and the complex interactions. Therefore, a Go-like model is employed to simulate the protein folding/unfolding processes controlled by AFM. The simulations exquisitely reproduced the experimental unfolding and refolding force extension relationships and led to the full reconstruction of the vectorial folding pathway of a large polypeptide, the 253-residue consensus ankyrin repeat protein, NI6C. The trajectories obtained in the simulation captured the critical conformational transitions and the rate-limiting nucleation event. Together with the AFM experiments, the coarse-grained simulations revealed the protein folding and unfolding pathways under the mechanical tension.

Dissertation

Thesis (Ph.D.)--University of Illinois at Urbana-Champaign, 2009.
Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 70-06, Section: B, page: 3367. Adviser: Todd J. Martinez. Includes bibliographical references. Available on microfilm from Pro Quest Information and Learning.

碩士
國防大學理工學院
機械工程碩士班
105
This paper combines computational fluid mechanics (CfD) method and Fortran trajectory simulation program to explore the aerodynamic characteristics and trajectory simulation of the new type 81 mm projectile in different type of fuze (4 control canard), flight conditions for 0.5~0.9 and 0.945 Ma, attack angle α between -5 ° ~ +5 °. In the CFD simulation results show that under the same conditions (Mach number and angle of attack), as the warhead fuze increases 4 slices of duck rudder, the force area increases, so the drag coefficient and the lift coefficient are increased, in which Model B (Slope_Canard) is the largest. The trajectory calculation is also used to carry out the trajectories at the 0.945M and 800 degree, the maximum range of Original is the farthest. The other maximum height to Original, model A (similar, the difference is only 1 meters) are the highest, mainly because the program is the main control parameters of resistance, but with a smaller resistance, in the bullet weight difference, can obtain a far range. The impact of maximum range between Original and model A is only 318meters (5.15%), so the 3 types of bomb can be seen in range is not far. It can continue to study the canard in different deflection and rotation conditions.Finally to find the establishment of the external Ballistic correction database, for development of two-dimensional ballistic correction fuze reference in the future. This study establishes a set of fuze configuration aerodynamic design, flow field analysis ratio and flight trajectory simulation method to provide the database for the advance design and development of ballistic correction fuze, and saves the related cost of live ammunition test. Key words: mortar, aerodynamic performance of fuze configurations, canard, computational fluid dynamics

Les processus réactionnels des systèmes biologiques sont désormais modélisés par des méthodes de plus en plus précises de mécanique quantique (MQ) associées aux champs de force de mécanique moléculaire (MM). Cette amélioration induit des complications dans le traitement habituel des interactions électrostatiques MQ/MM. Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une approche plus cohérente pour le calcul de ces interactions. Dans une seconde partie, nous avons appliqué certaines méthodes de simulation numérique aux protéines fluorescentes. Une étude de dynamique moléculaire a révélé de fines interactions de van der Waals qui conditionnent l'amélioration des propriétés de fluorescence dans la Cerulean par rapport à l'ECFP (Enhanced Cyan Fluorescent Protein). Nous avons également étudié le mécanisme de photoconversion de la protéine fluorescente EosFP par l'utilisation de potentiels MQ/MM appropriés au traitement des états excités. Finalement, la stabilité thermodynamique des différents états structuraux de la protéine IrisFP a été évaluée. Ces études de modélisation moléculaire améliorent notre compréhension des protéines fluorescentes afin de contribuer à leur développement pour l'imagerie cellulaire.