Coq6 est une enzyme impliquée dans la biosynthèse du coenzyme Q (aussi nommé ubiquinone, ou Q), un lipide benzoquinone polyprenylé essentiel à la fonction de la chaîne respiratoire mitochondriale. Dans la levure Saccharomyces cerevisiae, cette monooxygénase flavine-dépendante putatif est proposé pour hydroxyler le noyau benzénique d' un précurseur du coenzyme Q à la position C5. Nous montrons ici à travers des études biochimiques que Coq6 est une flavoprotéine utilisant le FAD comme cofacteur. Des modèles d'homologie du complexe Coq6-FAD ont étés réalisés et étudiés par dynamique moléculaire et arrimage moléculaire du 3-hexaprenyl-4-hydroxyphényl (4-HP6), un substrat modèle hydrophobe et volumineux. Nous identifions un canal d'accès putatif pour Coq6 dans un modèle de la forme sauvage et proposons des mutations in silico positionnés à l'entrée capable de partiellement (les mutations simples G248R et L382E) ou complètement (une double-mutation G248R-L382E) bloquer l'accès du substrat au site actif via le canal d' accès. Des essais in vivo soutiennent les prédictions in silico, qui expliquent l'abrogation ou la diminution des enzymes mutées. Ce travail fournit la première information structurale détaillée d'une enzyme importante et hautement conservée de biosynthèse de l'ubiquinone. / Coq6 is an enzyme involved in the biosynthesis of coenzyme Q, a polyisoprenylated benzoquinone lipid essential to the function of the mitochondrial respiratory chain. In the yeast Saccharomyces cerevisiae, this putative flavin-dependent monooxygenase is proposed to hydroxylate the benzene ring of coenzyme Q (ubiquinone) precursor at position C5. We show here through biochemical studies that Coq6 is a flavoprotein using FAD as a cofactor. Homology models of the Coq6-FAD complex are constructed and studied through molecular dynamics and substrate docking calculations of 3-hexaprenyl-4-hydroxyphenol (4-HP6), a bulky hydrophobic model substrate. We identify a putative access channel for Coq6 in a wild type model and propose in silico mutations positioned at its entrance capable of partially (G248R and L382E single mutations) or completely (a G248R-L382E double-mutation) blocking access of the substrate to thechannel . Further in vivo assays support the computational predictions, thus explaining the decreased activities or inactivation of the mutated enzymes. This work provides the first detailed structural information of an important and highly conserved enzyme of ubiquinone biosynthesis.

La récupération d'hydrocarbures non conventionnels fait partie des enjeux énergétiques majeurs. Ils ne peuvent être extraits par simple forage car la roche qui les contient, constituée essentiellement de nanopores, présente une très faible perméabilité. A l'échelle macroscopique, c'est-à-dire à l'échelle du bassin, les écoulements de fluides sont décrits par la loi de Darcy qui relie le flux à la perméabilité, au gradient de pression et à la viscosité. La perméabilité d'un matériau peut être mesurée expérimentalement ou théoriquement par homogénéisation à partir de l’hydrodynamique continue. Cependant, lorsque la taille des pores devient comparable à celle des molécules de fluide, une telle description n'est pas satisfaisante. D’une part l’hydrodynamique continue, où la nature du fluide n’intervient qu’à travers la viscosité, ne suffit pas forcément pour décrire l’écoulement. D’autre part les interactions au niveau moléculaire entre le fluide et le solide jouent un rôle important. Cette thèse porte sur le transport de fluides à l'échelle moléculaire et revisite la description traditionnelle qui sert de point de départ pour des écoulements à l'échelle macroscopique, en particulier dans le cas des écoulements multiphasiques. Par des simulations de dynamique moléculaire classique, nous avons étudié l'écoulement de systèmes monophasiques et diphasiques, précisant l’influence de la nature des surfaces, ainsi que de la nature et de la concentration des espèces dissoutes. Nous avons également apporté une contribution méthodologique originale pour le calcul des coefficients de diffusion d'espèces. / Unconventional hydrocarbons recovery is one of the major energy challenges. They cannot be extracted by simple drilling because the rock which contains them, consisting essentially of nanopores, has a very low permeability. On the macroscopic scale of the geological basin, the flows of fluids are described by Darcy's law which connects the flux to the permeability, the pressure gradient and the viscosity. The permeability of a material can be measured experimentally or determined theoretically by homogenization from continuous hydrodynamics. However, when the pore size becomes comparable to that of the fluid molecules, such a description is unsatisfactory. On the one hand continuous hydrodynamics, where the nature of the fluid only enters via the viscosity, is not necessarily sufficient to describe the flow. On the other hand, the interactions at the molecular level between the fluid and the solid play an important role. This thesis deals with the transport of fluids on a molecular scale and revisits the traditional description which serves as a starting point for macroscopic flows, in particular in the case of multiphase flows. Using classical molecular dynamics simulations, we study the flow of one- and two-phase systems, specifying the influence of the nature of the surfaces, as well as the nature and concentration of the dissolved species. We also develop an original methodological contribution to the calculation of the diffusion coefficients of confined species, specifying the effects of the system finite size.

Le transfert d'un analogue de lysine au travers de membranes de phospholipides a été étudié. Des simulations de dynamique moléculaire et des calculs d'énergie libre ont été conduits afin d'étudier l'évolution du pKa de cette molécule en fonction de sa position à l'intérieur de la membrane. Des grandeurs cinétiques telles que la perméabilité et les constantes de réaction associées au transfert ont montré que ce processus est susceptible de ce produire sur des échelles de temps appartenant à la ms. La comparaison de ces grandeurs dans des membranes constituées d'étherlipides et de lipides avec des chaînes branchées a été faite par la suite. Les études ont montré une diminution de la perméabilité et une augmentation du temps de passage dans des membranes faites d'étherlipides. L'ajout de méthyles le long des chaînes carbonées augmentent également le temps de passage et la perméabilité mais de manière moins importante. Cependant, le pKa indique que la forme chargée ne peut être retrouvée aussi profondément que dans une membrane constituée de chaînes linéaires. Finalement, le transfert du peptide a été étudié en estimant des surfaces d'énergie libre multidimensionnelles. La coordination de l'amine avec les molécules d'eau dans sa première sphère d'hydratation et la projection de la distance par rapport au centre de la membrane a été étudié. De nouvelles possibilités pour le changement d'état de protonation du peptide sont apparues. Contrairement au cas 1D, la forme neutre peut apparaître déjà dans la région des têtes polaires pour une certaine valeur de la coordination. Ces valeurs, inférieures à celles du milieux aqueux, peuvent être atteintes à l'interface d'après les surfaces déterminées / The transfer of a lysine amino acid analog across phospholipid membrane models was investigated using molecular dynamics simulations. The evolution of the protonation state of this small peptide as a function of its position inside the membrane was studied by determining the local pKa by means of free energy calculations. Permeability and mean first time passage were evaluated and showed that the transferoccurs on the sub-ms time scale. Comparative studies were conducted to evaluate the changes in the local pKa arising from the differences in the phospholipid chemical structure. We compared hence the effect of the ether vs ester linkage of the lipid head group as well as the linear vs branched lipid tails. The study reveals that protonated lysine residues can be buried further inside ether lipid membrane than ester lipid membrane while branched lipids are found to stabilize less the charged form compared to their un-branched lipid chain counterparts. As a result, the permeability and the transfer rate across a membrane constituted by ether lipid was found to slower than in membranes constituted by esterified lipids. Finally, multidimensionnal free-energy surfaces for the transfer of the peptide in its both states, charged and neutral, were estimated. The coordination of the amine with the water molecules in its first hydration shell with the projection of the distance from the center of the membrane were used as reaction coordinates. New possibilities for the deprotonation reaction were found, the latter appearing closer to the headgroup region. This finding suggests that if the lysine analog were less coordinated by water molecule a deprotonation is possible in the headgroup region

Les procédés de séparation membranaires sont des techniques particulièrement adaptées aux exigences écologiques et industrielles en matière de traitement de l'eau. Parmi les différentes techniques de séparation existantes, la nanofiltration est un procédé économique permettant le dessalement et l'adoucissement de l'eau. En dépit du nombre croissant de travaux académiques ou industriels portant sur la nanofiltration ces dernières années, les phénomènes physiques impliqués dans le transport de solutés (en particuliers les sels) à travers les matériaux nanoporeux restent mal compris. En effet, les matériaux sont des membranes de polymère dont la structure est complexe et méconnue. Les propriétés des liquides en milieu confiné présentent de plus des propriétés inattendues. L'utilisation d'outils numériques permet d'explorer et d'améliorer la compréhension des mécanismes de transport à travers des membranes. Parmi les différentes approches existantes, les simulations de type dynamique moléculaire permettent de sonder les propriétés des liquides confinées à l'échelle moléculaire. L'objectif de cette thèse est d'analyser les propriétés de solutions aqueuses d'électrolytes confinées dans un nanopore modèle par simulation de dynamique moléculaire. Les systèmes étudiés sont constitués d'un pore de silice connecté à deux réservoirs contenant de l'eau salée. Deux types de simulations ont été réalisés. Au cours d'une simulation dite « à l'équilibre », les propriétés structurales, diélectriques et dynamiques des liquides ont été étudiées. Au cours des simulations ''hors-équilibre'', une différence de pression est appliquée entre les réservoirs afin de générer un écoulement. Les propriétés de transport de l'eau et des sels à travers le nanopore ont été étudiées. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet MUTINA financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR 2011 BS09 002) portant sur la modélisation multi-échelle du transport d'ions en nanofiltration. / Membrane processes are very powerful techniques in term of water treatment. Nanofiltration is a recent membrane process mainly used for water desalination and water softening. Although nanofiltration has attracted increasing attention over the recent years, physical phenomenon related to species (especially aqueous salts) inside the membranes are still poorly understood at the nanoscale. The membranes used in a nanofiltration process (polymeric membranes) are indeed very complex and little is known about their structure. Moreover, liquids in a confined phase exhibit very different behaviour with respect from a bulk phase. In order to investigate the transport mechanisms, modelling tools are often used to reproduce the liquids and membranes behaviour. Molecular dynamic simulations are very useful in that case to gain insight into the liquid properties at the molecular scale. The aim of this thesis is to improve the understanding of the electrolytes transport inside a model nanopore. For this purpose, molecular simulations were carried out to simulate two kind of systems composed of pore connected to reservoirs filled of water and salts. On one hand, we performed equilibrium simulations to analyse the structural, dielectric and dynamic properties of confined liquids. On the other hand, non-equilibrium simulations were performed to generate a pressure-driven fluid flow to investigate water and ions transport. This work is part of the MUTINA project founded by the French National Research Agency for Research (ANR 2011 BS09 002) about multi-scale modelling of ion transport in nanofiltration.

Des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour étudier le rôle sur le ralentissement de la dynamique dans certaines dispersions colloïdales des caractéristiques des potentiels d’interaction à courte portée entre solutés. La variation avec les paramètres physiques du coefficient de diffusion utilisé comme indicateur du ralentissement de la dynamique est comparée avec celle du temps de vie des paires afin de tester l’interprétation généralement avancée de la gélification par la formation de liaisons à longue durée de vie entre les colloïdes. Deux modèles simples ont d’abord été considérés : un potentiel standard constitué d’une répulsion et d’une attraction à courte portée et un potentiel avec une barrière répulsive après le premier puits. Pour les modèles standard, sans barrière, un comportement universel de la dynamique, déterminé par le second coefficient du viriel a été montré. Ceci est observé aussi bien sur la diffusivité que sur la durée de vie des paires de particules, à condition qu’une définition commune de la distance de liaison soit prise lors de la comparaison des différents potentiels. En présence de barrière, la diffusivité dépend également d’autres caractéristiques de l’interaction comme le rapport des amplitudes du puits et de la barrière. L’effet de celle-ci renforce à la fois le piégeage dans le puits et l’effet stérique à une distance supérieure au diamètre du coeur. En doublant sa hauteur, la durée de vie augmente presque par un ordre de grandeur. Dans tous les cas, la durée de vie des liaisons dépend peu de la densité, contrairement au coefficient de diffusion. Ce comportement différent du temps de vie des liaisons et de la diffusivité montre les limites d’une interprétation littérale du ralentissement de la dynamique à faible ou moyenne densité, en terme de liaison de paires à longue durée de vie entre les particules. Les prédictions tirées de ces potentiels génériques ont ensuite été testées sur des potentiels effectifs calculés à partir des équations intégrales pour des mélanges binaires dissymétriques. La complexité du comportement dynamique résultant du caractère oscillatoire du potentiel est alors illustrée notamment par le comportement du nombre de paires en fonction de l’intervalle de "liaison" considéré. Le rôle au niveau de la dynamique d’interactions résiduelles a ensuite été étudié à partir du potentiel de Yukawa attractif, souvent utilisé pour modéliser une force attractive de courte portée résultant des recouvrements des couches superficielles des solutés, et du potentiel de Yukawa répulsif, pouvant correspondre à des interactions coulombiennes à très courte longueur d’écran. Nous avons alors montré l’impact important de ces interactions sur les lignes de transitions de non-ergodicité. L’analyse des situations où le ralentissement de la dynamique concerne les deux composants du mélange, avec les développements méthodologiques requis, est finalement soulignée comme une voie possible de poursuite de ce travail. / Molecular dynamics simulations are used to investigate the role on the slowing down of the dynamics in certain colloidal dispersions of some characteristics of the short-range interaction potentials between the solutes. The variation with the physical parameters of the diffusion coefficient used as an indicator of the slowing down of the dynamics is compared with that of the bond lifetime of particle pairs in order to test the usual interpretation of gelation by par the formation of long-lived bonds between the colloidal particles. Two simple models were first considered: a standard potential with a repulsive part and a short-range attraction, and a model with a repulsive barrier after the well. For standard models, without barrier, a universal behaviour of the dynamics, governed by the second virial coefficient has been shown. This has been observed both for the diffusivity and the bond lifetime of particle pairs, provided that a common definition of the bonding length is used when comparing different potentials. In the presence of barriers, the diffusivity depends also on other characteristics of the interaction, such as the ratio of the well and barrier amplitudes. The effect of the barrier reinforces both the bonding in the well and the steric effect at a separation larger than the core diameter. Doubling its height increases the lifetime almost by an order of magnitude. In all cases the bond lifetime depends weakly on density in contrast with the diffusion coefficient. This different behaviours of diffusivity and bond lifetime shows the limits of a literal interpretation of the slowing down of the dynamics by the formation of long-lived bonds between particle pairs. The predictions relative to these generic potentials were next tested on the effective potentials computed from the integral equations for asymmetric binary mixtures. The complexity of the dynamics arising from the oscillatory nature of the potential is then illustrated by the behaviour of the number of pairs, depending on the bonding range being considered. The influence on the dynamics of residual interactions was next investigated from the attractive Yukawa potential, often used to model an attractive interaction arising from the overlap of the surface layers of the solutes potential and the repulsive Yukawa one, possibly modelling Coulomb interactions with very short screening length. We so showed the importance of such residual interactions on the non-ergodicity transition lines. The analysis of the situations in which the slowing down of the dynamics involves both components of the mixture, with the required methodological developments, is finally pointed out as a possible continuation of this work.

La plupart des fonctions énergie potentielle utilisées pour simuler les systèmes biologiques complexes ne traitent qu'implicitement la polarisation électronique et ce, de façon très incomplète. Bien qu'efficaces pour un large éventail d'applications, ces champs de force atteignent rapidement leurs limites dès lors que les effets de polarisation électronique sont importants. Tel est le cas par exemple au site actif des métalloprotéines où l'ion métallique polarise fortement son environnement. Dans cette thèse, j'ai développé une approche basée sur la mécanique quantique pour obtenir des paramètres d'un champ de force polarisable ayant pour composantes des charges, des polarisabilités distribuées d'ordre zéro et un (isotrope) et un potentiel de van der Waals décrit par une fonction de Buckingham. L'énergie d'induction peut être atténuée par une fonction de Tang et Toennies pour décrire l'énergie d'échange-induction. Cette approche a été effectuée avec succès pour l'interaction d'ions avec l'eau et le benzène mais aussi dans le cas d'un dimère d'eau. Une première étude des résultats en dynamique moléculaire montre que les paramètres obtenus en phase gazeuse peuvent se transférer pour les simulations en phase condensée / Most of the energy potential functional used in biological systems only treat electronic polarization implicitely and this, in an incomplete way. Even very effective for many applications, those force fields reach there limits when the polarization effects are important. This is the case, for example, at the active site of metalloproteins where the metallic ion heavily polarizes its environment. We will present a strategy to take into account the polarization through polarizability distributed on atoms obtained by quantum chemical calculations. The interaction energies have been compared with a reference SAPT (\textit{Symmetry Adapted Perturbation Theory}) calculation which permits to expand the interaction in electrostatics, induction and van der Waals contributions. I will present the interaction of ions with water, benzene and also water dimer interactions. Preliminary results in molecular dynamics seems to confirm that gas phase parameters can be transfered to condensed phase

Le développement de nouveaux ligands capables d’orienter sélectivement la réponse des cellules Natural Killer T invariantes (iNKT) vers un profil immunostimulant (Th1) ou immunorégulateur (Th2) est un challenge important qui peut mener à de nouvelles opportunités thérapeutiques dans le traitement de nombreuses maladies auto-Immunes et de cancers. Dans ce contexte, il est indispensable de comprendre le mécanisme de polarisation des iNKT. L’hypothèse principale est que l’intensité et la nature de la réponse biologique dépendent de la stabilité de l’interaction CD1d/TCR (Récepteur des Cellules T) qui serait elle-Même influencée par la forme du CD1d et donc par l’antigène qui y est chargé. C’est pourquoi nous avons étudié l’impact des activateurs des iNKT sur la structure du CD1d dans le but de faciliter la conception de molécules induisant sélectivement un profil de réponse Th1 ou Th2.En s’aidant des relations structure-Activité, du « docking-Scoring » et de dynamiques moléculaires de complexes CD1d/ligand analysées par différents outils, nous avons comparé la structure des CD1d humain et murins en fonction des profils de réponse.A partir de l’analyse des trajectoires de dynamique moléculaire, nous avons identifié des différences notables dans le comportement des CD1d humains et murins, les plus remarquables étant des changements dans les distances inter-Hélice et une mobilité du ligand accrue dans les systèmes humains. Un autre résultat majeur est l’identification d’une conformation spécifique de la tête polaire du ligand qui pourrait être corrélée à une réponse préférentiellement Th2.Ces différentes méthodes et la combinaison des descripteurs protéiques et moléculaires utilisés pour analyser la dynamique des complexes binaires nous donne suffisamment d’indices structuraux pour tenter de prédire le comportement de ligands dans le CD1d et aider à la conception de nouveaux modulateurs des cellules iNKT. / Development of new ligands able to switch invariant Natural Killer T (iNKT) cells toward an immunostimulant Th1 or an immunoregulative Th2 profile is a great challenge that can lead to new therapeutic opportunities in the treatment of various auto-Immune diseases or cancers. In this context, understanding the polarizing effect of iNKT ligands is of a major interest. We hypothesized that the intensity and nature of the biological response could depend on the stability of the CD1d-T Cell Receptor (TCR) interactions under the influence of the antigen which could modulate the shape of CD1d. Thus, our goal was to study the impact of iNKT ligands on the structure of the CD1d molecule and find clues to help design Th1/Th2 selective ligands.Using structure-Activity relationships, docking and molecular dynamic analyzed by a mix of classical and in house tools, we compared the structural behavior of the human and mouse CD1d molecule loaded with different ligands inducing Th1 or Th2 immune response profile. From the analysis of our molecular dynamics trajectories, it appears that there are noticeable differences in the behaviour of human and mouse CD1d molecules, mainly caracterized by changes at the inter-Helix distance and an increase ligand mobility for human systems.One major result is the identification of a specific conformational state of the ligand sugar group which could be correlated, in the present study, to the biological Th2 biased response. The different methods and combinations of ligand and protein descriptors used to analyze the dynamics of the binary complexes provide a structural basis for predicting the very different dynamical behaviors of ligands in CD1d and might aid in the future design of new iNKT modulators.

Les flavonoïdes sont des composés poly-hydroxylés d’origine végétale, connus pour leurs vertus pour la santé. Afin d’obtenir des dérivés plus stables et solubles dans des formulations hydrophobes tout en conservant les activités biologiques des molécules d’origine, une solution consiste à acyler ces composés de manière régiosélective. Ceci peut être accompli en utilisant des lipases comme catalyseurs, en milieu organique. Grand nombre d’études expérimentales sur ces bioprocédés sont disponibles, mais aucune d’entre elles n’apporte d’explication, au niveau moléculaire, de la sélectivité de ces réactions d’acylation. Le but de cette étude est d’appliquer différents outils de simulation moléculaire pour mieux comprendre, au niveau moléculaire, les propriétés de sélectivité de l’acétylation de trois flavonoïdes (quercétine et ses dérivés glycosylés isoquercitrine et rutine), en utilisant les lipases CALB et PCL. D’abord, des simulations de docking ont été appliquées, afin d’obtenir les positions et les orientations les plus probables des flavonoïdes dans la cavité des lipases préalablement acétylées. Ensuite, des simulations de dynamique moléculaire ont été exécutées sur les complexes obtenus par docking, afin d’étudier stabilité structurale des complexes sur une période de temps et notamment la stabilité des interactions enzyme-substrats. Enfin, des simulations basées sur une approche de chimie quantique (DFT) ont été appliquées pour évaluer la réactivité chimique des flavonoïdes dockées dans les complexes. Les premières tendances observées aux cours des simulations ont présenté une bonne corrélation avec les résultats expérimentaux d’acétylation. Globalement, les résultats obtenus ont montré que la sélectivité de ces réactions dépend de l’orientation des substrats (flavonoïde et acétate) dans la cavité catalytique de la lipase, des interactions intermoléculaires stabilisant ces substrats et de la réactivité chimique intrinsèque des groupements OH des flavonoïdes se situant à proximité des résidus catalytiques / Flavonoids are plant-produced polyhydroxylated compounds, well-known for their beneficial health effects. In order to obtain more stable and soluble derivatives for incorporation in hydrophobic formulations without damaging the biological activities of the native molecules, a solution consists to perform a regioselective acylation of these molecules. This can be accomplished by using lipase biocatalysts, in organic media. Several experimental studies dealing with such processes are available, but none of them give any explanation, at the molecular level, for the regioselectivity of such reactions. This study aimed to apply different molecular modelling tools in order to better understand, at the molecular level, the selectivity properties of the acetylation of three flavonoids (quercetin and its glycosylated derivatives isoquercitrin and rutin), by using the lipases CALB and PCL. Firstly, docking simulations were applied, in order to obtain the most probable positions and orientations of the flavonoids in the cavities of acetylated lipases. Then, molecular dynamics simulations were performed, aiming to study the structural stability of the complexes upon a period of time and specially the stability of the enzyme-substrates interactions. Finally, quantum chemical simulations (DFT) were applied to evaluate the chemical reactivity of the flavonoids as docked in the complexes. The trends observed during the simulations were well correlated with previous experimental results on the acetylation reaction of these flavonoids. Overall, the results showed that the selectivity in such reactions depends upon the substrates (flavonoid and acetate) orientations in the enzyme catalytic cavity, the intermolecular interactions that stabilize these substrates and the intrinsic chemical reactivity of the flavonoids OH groups reaching the catalytic residues

La disparition attendue des combustibles fossiles dans un avenir proche est l'un des grands défis de ce siècle auquel nous devons faire face. Pour cela, il serait judicieux de transférer l’énergie primaire utilisée aujourd'hui en énergies renouvelables. Le secteur des transports est l'un des plus concernés par cette problématique. Une application dans ce secteur nécessite de nombreux travaux de recherche et c'est dans ce contexte que le stockage de l'hydrogène à l'intérieur des clathrate hydrates a été entrepris au cours de mon programme de recherche doctoral. Cette étude avait pour objectif d’étudier les interactions hôte-invité (dynamique) dans les clathrates hydrates et s’est étendue de la synthèse de clathrates hydrates jusque l’insertion de l'hydrogène en leur sein. Cette étude a été faite à la fois d’un point de vue expérimental et théorique : des simulations de Dynamique Moléculaire (MD) ont été utilisées afin de guider l’interprétation d’expériences de Diffusion incohérente Quasi Elastique des Neutrons (QENS). Dans un premier temps, nous avons développé cette approche méthodologique en étudiant la dynamique du clathrate hydrate de bromométhane, système prototype. Dans un deuxième temps, nous avons appliqué cette approche multi-technique à l'étude de clathrate hydrates impliqués dans la problématique du stockage d'hydrogène. Pour cela, nous avons étudié le clathrate hydrate de tétrahydrofurane (THF), utilisé comme sous-structure hôte au stockage d'hydrogène. Un dispositif expérimental original a été développé pour la préparation d'un hydrate clathrate binaires H2-THF. L’analyse des expériences de diffusion neutronique effectuée sur ce clathrate binaire a révélé l’existence de mouvements diffusifs localisés des molécules d’hydrogène à l’intérieur des cages. / The expected disappearance of fossil fuels in the near future is one of the major challenges of this century which we need to face up and it is necessary to anticipate it. For that, it will be convenient that we have begun the primary energy transfer used today to renewable energy. The sector of transport is one of the most concerned by these renewable energies. An application in this sector would require numerous research works and it is in this context that the hydrogen storage inside the clathrate hydrates has been undertaken during my PhD. This work aimed at investigating the host-guest interactions (dynamics) of clathrate hydrates and ranged from the synthesis of clathrate hydrates to the insertion of hydrogen within them. This study has been done both from experimental and theoretical point of view. Molecular Dynamics (MD) simulations were used to guide the interpretation of incoherent Quasi-Elastic Neutron Scattering (QENS) experiments. At first, we developed a methodology combining MD and QENS to investigate the dynamics of bromomethane clathrate hydrate, a prototypical system. Having validated the multi-technique approach, the methodology has been applied to investigate clathrate hydrates involved in the hydrogen storage problematic. In this issue, the tetrahydrofuran (THF) clathrate hydrate, used as host sub-structure for storing hydrogen, has been studied. An original experimental set-up has been developed for the preparation of a binary H2-THF clathrate hydrate. The analysis of QENS experiments performed on this binary clathrate hydrate revealed the existence of localized translational motion of hydrogen molecules within the clathrate cages.

Les verres sont des matériaux utilisés dans de très nombreux domaines. Cependant leur structure reste à ce jour peu connue du fait de l’absence d’ordre à longue distance rendant difficile la résolution de la structure à l’échelle atomique. Il est admis que les verres sont constitué d’un enchainement désordonné d’unités élémentaires par exemple des triangles et tétraèdres de bore dans le cas des verres de borates. La résonance magnétique nucléaire (RMN) a démontré être une technique de choix pour l’étude des verres, permettant de mesurer la proportion de chaque unités. Toutefois, la résolution structurale du verre reste aujourd’hui un enjeu scientifique majeur afin de mieux comprendre les relations propriétés-composition. Cette thèse a pour objectif de développer des méthodes combinant des expériences de RMN 1D et 2D avec des calculs DFT de paramètres RMN effectués sur des modèles numériques afin de caractériser la signature spectrale de l’ordre à moyenne distance. Sur une première série de verres de borates de sodium, il a été mis en évidence que seul la dynamique moléculaire (DM) ab-initio permet de reproduire des unités superstructurale telle que des anneaux, qui ont pu être caractérisées expérimentalement notamment grâce à la prise en compte fine des effet de distributions des paramètres RMN. La deuxième série sont des verres d’aluminoborate de lanthane pour laquelle les simulations par DM ne permettent pas un accord satisfaisant avec l’expérience. De ce fait, nous avons exploré une méthode par Reverse Monte Carlo contraintes par les données expérimentales. Cette méthode permet d’améliorer significativement l’accord des modèles avec l’expérience et reste donc à poursuivre. / Glasses are materials used in many fields. However, their structures still not well known because of the lack of long range order, making it difficult to extract the structural information of these materials. It is accepted that the glassy network is made of many elementary unit chains, being boron triangles and tetrahedron in the case of borate glasses. Nuclear magnetic resonance (NMR) has proven to be a vital characterization technique for the glasses study. It allows the measurement of proportion of each unit. The determination of the structural resolution of glasses remains a major scientific challenge for understanding of the relationship between the glass properties and it elemental compositions. This thesis aims to develop new NMR approach combining 1D, 2D and oxygen-17 NMR with DFT-GIPAW calculations on numerical models in order to characterize the intermediate ranger order NMR fingerprint. The first study is on sodium borate glasses. It highlighted that only ab-initio molecular dynamics (MD) can reproduce the boron rings, which have been confirmed by the NMR data, taking into account of the fine NMR parameters distributions effects. The second study is on aluminoborate glasses. Unlike the previous, the computed MD structures are not in agreement with NMR data. Thereby, a diferente stuctural simulation is applied. Refined models have been determined by Reverse Monte Carlo by constraining few experimental NMR data. This method allows to significantly improve the agreement between sumulated models and the experiment.