Soutenance de thèse de Elham FARAJI

Dans mon projet de thèse, nous avons recours à un modèle partiellement emprunté aux modèles standards de Davydov et Holstein-Fröhlich qui ont été introduits à l'igine pour rendre compte de the interaction électron-phonon dans les macromolécules. The principal objective of the research is the study of the dynamic effect of the interactions électrodynamiques à longue portée in the biomolecules and comments on the interacting ones with the champs électromagnétiques externes. Sous l'action d'une source d'énergie externe à une protéine (une chaîne d'acides aminés), nous avons déjà trouvé un phénomène intéressant de downconversion énergétique de la lumière absorbée par une protéine vers ses modes vibratoires internes (excitation phononique) . Dans une autre enquête sur l'ADN (une séquence de nucléotides), un specter de fréquence bruyant et large ou très étroit du courant d'électrons dans des conditions initiales spécifiques a été observé, ce qui implique les divers comportements des interactions électrodynamiques des molécules d'ADN sous l'action de l'excitation électronique. Dans un autre travail, nous étudions les co-résonances dans le specter de Fourier croisé des courants électroniques excités le long des squelettes de protéines excités en interaction avec des courants électroniques excités le long de fragments d'ADN suggérés par le modèle de reconnaissance résonnante pour trouver comment on the rencontres des partenaires des réactions biochimiques peuvent être facilités. Nous étudions également la fidélité de transfert d ' information (ITF) dans une macromolécule dont les éléments de base sont considérés comme des qubits (spin-1/2). Cela nous aiderait à explorer si notre réseau quantique d'une protéine peut être un espace métrique en définissant une distance qui quantifie le manque de fidélité de transmission entre deux qubits. Organization du manuscrit • Le chapitre 2 est un chapitre de révision où the principal contexte théorique de la recherche sur les interactions électron-phonon "est présentée, en particulier, le soliton de Davydov est revu. De plus, nous introduisons TDVP pour dériver les équations dynamiques d'un système hamiltonien quant ique . • Chapitre 3 Les mappings quantiques et certaines classes de canaux qubit sont présentées. Ensuite, le transfert d'alformations quantiques à travers l'hamiltonien de Davydov simplifié (sans environnement) pour un réseau de spins de , séparément, deux atomes et des N atomes est rapporté. • Le chapitre 4 traite des recherches concerning the interactions électrodynamiques à longue portée parmi les biomolécules en passant en revue the contexte théorique de la condensation de Fr¨ohlich et la dérivation de ses équations. Nous discussons également le modèle RRM décrivant la sélectivité des interactions intermoléculaires dans les systèmes biologiques. • Le chapitre 5 reports the transfer of energies to the phonons of a macromolecule par pompage de lumière. Cette découverte fournit une logique derrière the phénomène de condensation de phonons dans une macromolécule. • Chapitre 6 The possibility of creating a courant électron ique cohérent ou aléatoire dépendant de la séquence d ' unbrain d'ADN est présenté. The result suggests a variety of interactions électrodynamiques between the ADN et des cibles spécifiques. • Chapter 7 The investigation of the façon of the partners of a biochemical réaction of ADN-proteins peut être accéléré for the phénomène de co-résonance déjà suggéré par RRM est considerée . This includes the interaction between the ADN and the enzyme EcoRI en utilisant l and specter croise de fréquence des courants qui circulent sur ces molecules . • E. Faraji, R. Franzosi, S. Mancini and M. Pettini, Energy transfer to the phonons of a macromolecule through light pumping, Scientific Reports 11, 1-14 (2021). • E. Faraji, R. Franzosi, S. Mancini and M. Pettini, Transition between random and periodic electron currents on a DNA chain, Int. J. Mol. Sci. 22, 7361 (2021).

In my PhD project, we resort to a model partly borrowed from the standard Davydov and Holstein-Fröhlich models that have been originally introduced to account for electron-phonon interaction in macromolecules. The main aim of research is to study the dynamical effect of long range electrodynamic interactions in biomolecules and how they interact with external electromagnetic fields. Under the action of an external source of energy to a protein (a chain of amino-acids), we have already found an interesting phenomenon of energy downconversion of the light absorbed by a protein into its internal vibrational modes (phonon excitation). In another investigation on DNA ( a sequence of nucleotides), either a very narrow or a broad noisy frequency spectrum of the electron current under specific initial conditions has been seen which implies the various behaviors of electrodynamic interactions of DNA molecules under the action of electron excitation. In another work, we are investigating co-resonances in the cross-Fourier-spectra of the electronic currents excited along the backbones of interacting proteins and excited along DNA fragments suggested by resonant recognition model to find how the partners of the biochemical reaction can be facilitated. We also study the information transfer fidelity (ITF) in a macromolecule whose basic elements are considered qubits (spin-1/2). It would help us to explore if our quantum network of a protein can be a metric space by defining a distance that quantifies the lack of transmission fidelity between two qubits. Then, the geometry of such a space will be studied. Organization of the manuscript: • Chapter 2 is a review chapter where the main theoretical background of the ongoing research electron-phonon interactions" is presented, in particular, Davydov’s soliton is reviewed. Moreover, we introduce TDVP to derive the dynamical equations of a quantum Hamiltonian system. • Chapter 3 Quantum maps and some classes of qubit channels are presented. Then Quantum information transfer through the simplified Davydov’s Hamiltonian (without environment) for a spin network of, separately, two atoms and N atoms is reported. • Chapter 4 deals with the research concerning the long-range electrodynamic interactions among biomolecules by reviewing a theoretical background of Frohlich condensation and derivation of its rate equations. We discuss also physico-mathematical RRM describing the selectivity of intermolecular interactions in biological systems. • Chapter 5 reports energy transfer to the phonons of a macromolecule through light pumping. This finding provides a logic behind phonon condensation phenomenon in a macromolecule. • Chapter 6 The possibility of creating a coherent or random electron sequence dependent currents on a DNA Chain is presented. The outcome suggests rich variety of electrodynamic interactions between the DNA and specific targets. • Chapter 7 The investigation of how the partners of the biochemical reaction can be put accelerated by co-resonance phenomenon already suggested by RRM is reported. This includes the study of interaction between DNA and EcoRI enzyme by using cross frequency spectrum of the site-dependent currents flowing on them. The results discussed in this thesis led to the following publications: • E. Faraji, R. Franzosi, S. Mancini and M. Pettini, Energy transfer to the phonons of a macromolecule through light pumping, Scientific Reports 11, 1-14 (2021). • E. Faraji, R. Franzosi, S. Mancini and M. Pettini, Transition between random and periodic electron currents on a DNA chain, Int. J. Mol. Sci. 22, 7361 (2021). • E. Faraji, S. Mancini, A. Nourmandipour, M. Pettini and R. Franzosi, Quantum information transport on a biomolecule, In preparation. • E. Faraji, P. Kurian, R. Franzosi, S. Mancini, I. Cosic, D. Cosic and M. Pettini, Electrodynamic forces driving DNA-enzyme interaction at a large distance, In preparation.