Les acides nucléiques sont des biomolécules hautement dynamiques qui régularisent la fonction biologique et qui sont largement utilisées dans la construction de nano biomatériaux. Les dynamiques de repliement et d'assemblage d'acides nucléiques déterminent comment ils interagissent avec leur environnement pour en arriver à des résultats moléculaires spécifiques. Ces mouvements sont très complexes et se produisent souvent en passant par des états intermédiaires transitoires et peu peuplés qui peuvent échapper à la détection expérimentale. Par conséquent, une compréhension complète de la dynamique des acides nucléiques et de leur rôle fonctionnel n'a pas pu être achevée, en grande partie à cause des limitations des techniques actuelles. Les méthodologies disponibles pour l'étude détaillée de la dynamique des acides nucléiques sont coûteuses en temps et en travail et elles requièrent une expertise poussée de l'utilisateur. Les méthodes qui fournissent de l'information quantitative sur la dynamique des acides nucléiques d'une manière rapide et directe deviennent ainsi fortement souhaitables afin de comprendre et ultimement contrôler leur fonction en biologie et dans les biomatériaux.Afin de s'attaquer à ces défis, cette thèse explore trois analyses globales d'ajustement de données que nous avons développées pour saisir le potentiel sous-utilisé des bases de données de dénaturation thermique des acides nucléiques. Dans le Chapitre 2, nous décrivons en détails une analyse d'ajustement global pour l'équilibre thermique d'expériences de dénaturation en application à la dynamique complexe de repliement des quadruplexes de la guanine (GQs). Nous avons ainsi démontré que ces mouvements influencent la stabilité de GQ et des fonctions comme l'expression du gène. Le Chapitre 3 décrit la combinaison d'une méthode expérimentale et d'ajustement global qui utilise des acides nucléiques avec des ligands thermosensibles pour en extraire une suite de paramètres de repliement et de liaison au produit initial et à celui converti par ligand thermosensible. Dans le Chapitre 4, nous avons développé une approche qui utilise des expériences de fusion et refonte thermiques en non-équilibre pour caractériser l'assemblage d'acides nucléiques supramoléculaires en passant par des intermédiaires transitoires et peu peuplés. Il est important de mentionner que toutes les méthodes décrites dans cette thèse sont rapides (ne requérant aussi peu qu'un seul jour d'expérimentation et d'analyse), peu coûteuses et qu'elles fournissent de l'information quantitative sur la dynamique des acides nucléiques avec un niveau de détails qui n'est pas facilement accessible avec les techniques actuelles. De plus, ces approches peuvent être appliquées à des systèmes de virtuellement toutes les complexités. Prises dans leur ensemble, ces méthodes augmentent substantiellement les outils disponibles aux chercheurs sur les acides nucléiques et pavent la voie à des caractérisations robustes et faciles du repliement des acides nucléiques et de la dynamique des assemblages.

Nucleic acids are highly dynamic biomolecules that regulate biological function and are widely used to construct nanoscale materials. Nucleic acid folding and assembly dynamics modulate how they interact with the environment to achieve specific molecular outcomes. These motions are highly complex and often occur via transient and low-populated intermediate states which can evade experimental detection. Consequently, a full understanding of nucleic acid dynamics and their role in function has not been achieved, largely due to the limitations of contemporary techniques. The available methodologies for studying nucleic acid dynamics in detail are costly in terms of time and labour, and require extensive user expertise. Methods that provide quantitative information on nucleic acid dynamics in a rapid and straightforward manner are therefore highly desirable for understanding and ultimately controlling their function in biology and biomaterials.To address the aforementioned challenges, this thesis explores three global data fitting analyses that we developed to harness the under-utilized potential in thermal denaturation datasets for nucleic acids. In Chapter 2, we detail a global fitting analysis for equilibrium thermal denaturation experiments in application to the complex folding dynamics of guanine quadruplexes (GQs). We demonstrated that these motions influence GQ stability and functions such as gene expression. Chapter 3 describes a combined experimental and global fitting method using nucleic acids with heat-sensitive ligands to extract the suite of folding and binding parameters to the initial and thermally-converted ligand product. In Chapter 4, we developed an approach that utilizes non-equilibrium thermal melting and annealing experiments in characterizing the assembly of supramolecular nucleic acids via transient and low-populated intermediates. Importantly, all of the methods described in this thesis are rapid (requiring as little as one day of experimentation and analysis time), low-cost, and provide quantitative information on nucleic acid dynamics with a level of detail that is not easily accessible to current techniques. Furthermore, these approaches can be applied to systems of virtually any complexity. Taken together, these methods substantially expand the toolkit available to nucleic acid researchers and pave the way for robust, facile characterizations of nucleic acid folding and assembly dynamics.

Mittermaier, Anthony (Supervisor)