Surface Plasmons provide a relatively high axial sensitivity and thus are generally used in a thin surface film sensing and imaging. Objective lens based surface plasmon microscopy enables measurement of local refractive index on a far finer scale than the conventional prism based systems. However, researchers find that a trade-off between the lateral resolution and the axial sensitivity exists in the conventional intensity based surface plasmon microscopy. In order to optimize the trade-off, interferometric surface plasmon microscopy was exploited. An interferometric or confocal system gives the so-called V(z) curve, the output response as a function of defocus, when the sample is scanned axially, which gives a measure of the surface plasmon propagation velocity. Considering the complexity of the two arm interferometric system, in this thesis, I show how a confocal system provides a more flexible and more stable alternative. This confocal system, however, places greater demands on the dynamic range of the system. Firstly, the sharp edge of the pupil on the back focal plane of the objective can generate similar effect with the surface plasmon (SPs) ripples; Secondly, the SPs ripples that convey much of the information are much smaller compared to the in focus response which means the confocal system suffers from low signal to noise ratio (SNR). In order to overcome the limitations, I proposed pupil function engineering which was to use a spatial light modulator to modulate the illumination beam profile by using the designed pupil functions with smooth edges. The results show that the sharp edge effect of confocal setup can be greatly reduced and the SNR is improved. Based on this system, I demonstrated that images obtained from the setup are comparable with the two arm interferometric SPR microscope and other wide-field non-SPR microscope. Secondly, I demonstrate the technique of V(α). A phase Spatial Light Modulator (SLM) was applied to replace the previous amplitude SLM. I show how a phase spatial light modulator (i) performs the necessary pupil function apodization (ii) imposes an angular varying phase shift that effectively changes sample defocus without any mechanical movement and (iii) changes the relative phase of the surface plasmons and reference beam to provide signal enhancement not possible with previous configurations using ASLM. Later, I extend the interferometer concept in the confocal system to produce an ‘embedded’ phase shifting interferometer in chapter 6, where I can control the phase between the reference and surface plasmon beams with a spatial light modulator. I demonstrate that this approach facilitates extraction of the amplitude and phase of the surface plasmons to measure of the phase velocity and the attenuation of the surface plasmons with greatly improved signal to noise compared to previous measurement approaches[1]. I also show that reliable results are obtained over smaller axial scan ranges giving potentially superior lateral resolution. In the end of the thesis, future work will be discussed. Firstly, I will propose another technique called ‘artificial’ plasmon. Secondly, I will recommend constructing another system and develop the ideas discussed so the system can work in aqueous environment.

The small size of integrated microfluidic systems offers many advantages such as cost, speed and portability for bioanalysis applications. However, due to the small scale the careful consideration of the transport of analytes in the bulk of the integrated microfluidic system and the interaction of analytes with surface immobilised analyte recognition molecules (receptors) is crucial for an efficient device operation. This thesis is concerned with the mathematical analysis and optimisation of the convective and diffusive transport of analytes and the analyte-receptor interaction in integrated microfluidic affinity systems with the aim of creating design guidelines for more efficient bioanalysis systems. The first part of this thesis considers device configurations where every analyte molecule can reach the surface immobilised receptors. In this case, which is important for sensing and separation applications, the transport-reaction model is solved analytically. This analytical solution is analysed for two bioanalytical applications: (i) affinity separation and (ii) affinity sensing. For fast analyte-receptor interactions, which are essential for affinity separation systems, the analysis of the analytical solution reveals simple expressions for the retention and the dispersion of the analyte due to the interaction with the receptors. With these expressions, which depend only on global device parameters, a framework for the design of multiplexed separation systems for the separation of proteins from complex sample mixtures is developed. Subsequently, the analytical solution of the transport-reaction model is used in the derivation of improved design strategies for microfluidic affinity sensors for the detection of analytes from small sample plugs. Three design strategies, which achieve a high capture fraction and a significantly increased uniformity of the bound analyte concentration over the sensor surface, are presented. The first two strategies rely on the variation of one device parameter, i.e. the flow velocity or the surface immobilised receptor concentration, as the analyte plug is flowed through the channel. The third approach is based on non-rectangular devices where the analyte plug is replenished by a narrowing of the flow channel. This third design strategy is applied to the redesign of a biosensor for the detection of low cytokine levels from small sample volumes. In the second part a novel microfluidic system for the generation of concentration gradients across microfluidic channels is developed. In this design the analytes are transported by surface groove induced secondary flow from the source to the sink stream. Numerical optimisations over the shape and size of the surface groove result in gradient generators which yield a well-defined linear or exponential concentration gradient across the width of the microfluidic channel. The resulting gradient generators have a much smaller footprint than conventional gradient generators and are thus more suitable for highly integrated lab-on-a-chip systems.

Les ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay) sont une des technologies analytiques les plus utilisées dans la recherche et les applications biomédicales. Leur production nécessite la construction de films d’anticorps sur des surfaces constituées le plus souvent de polystyrène. La haute hydrophobie du polystyrène assure une adhésion forte et spontanée des anticorps permettant ainsi d’y construire facilement une monocouche d’anticorps. L’amélioration des ELISA passe certainement par l’amélioration et la compréhension des mécanismes physico-chimiques à l’œuvre lors de l’immobilisation des anticorps sur le polystyrène. Dans ce but, ce travail présente un essai de théorisation appuyé par des simulations numériques et des estimations expérimentales par microscopie à force atomique (AFM) et ELISA. En faisant référence à l’effet hydrophobe, la thermodynamique des processus irréversibles permet premièrement d’expliciter les raisons de l’adhésion des anticorps sur le polystyrène. Deuxièmement, des simulations numériques dans le cadre du modèle des additions séquentielles aléatoires (RSA) montrent la façon dont peuvent se saturer les surfaces en favorisant certaines orientations d’anticorps recherchées dans le cadre de l’ELISA. Finalement, l’amélioration du modèle RSA en un modèle RSA+R tenant compte des changements d’orientations par relaxation des anticorps illustre le lien entre les conditions de dépôt et la structure de la monocouche obtenue. Ces éléments semblent corroborés par l’expérience / ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay) are widely used analytical technologies in research and biomedical fields. Their implementation require to build antibodies thin films onto predominantly composed polystyrene surfaces. The high hydrophobicity of polystyrene ensures spontaneous and strong antibodies adhesion allowing to easily build antibodies monolayers. ELISA improvements lie most probably throughout improvements and comprehension of physico-chemical mecanisms on which antibodies immobilization on polystyrene are relied. In this way, our work explains a therozation essay emphasized by numerical modelling and experimental estimations by atomic force microscopy (AFM) and ELISA. Keeping in mind the so-called hydrophobic effect, thermodynamics of irrversible processes allows in a first time explaining reasons of antibodies adhesion on polystyrene. In a second time, numerical modelling in the field of random sequential additions model (RSA) show a way of surfaces saturation involving a strong trend to favor some antibodies orientations expected for ELISA. Finally, a RSA improvement in a RSA+R model taking into account orientational changes by the way of relaxation shows a link between deposition conditions and obtained monolayer structure. Such results seem to be strongly correlated with experimental facts

Les techniques de séquençage ont connu un extraordinaire développement depuis plus de 40 ans et ont permis une véritable révolution dans le domaine de l’analyse biologique avec l’entrée dans l’ère de la génomique. Le développement de nouvelles méthodes de séquençage est néanmoins associé à des contraintes sur la préparation et le contrôle qualité des échantillons d’ADN. La 3ème génération de séquenceurs nécessite notamment l’utilisation de fragments d’ADN de très grande taille, supérieurs à 50000 paires de bases, qui sont complexes à préparer et à caractériser avec les techniques actuelles. Dans la perspective d’accélérer et d’améliorer ces procédures de préparation d’échantillons, nous avons développé un instrument basé sur la technologie µLAS permettant la concentration et la séparation de grands fragments d’ADN. Nous avons en particulier développé une méthode permettant la concentration, l’isolation et le séquençage de régions génomiques ciblées en les découpant avec l’enzyme de restriction Cas9. Nous avons également développé un prototype pour la purification d’ADN de haut poids moléculaire dans un mélange complexe. Cet instrument permet d’effectuer une vanne de sélection d’ADN accordable pilotée par champ électrique. Adaptée à l’enrichissement sélectif d’ADN selon sa taille de 200 bp à 50 000 bp, notre méthode permet d’effectuer une purification de 20 ng d’ADN génomique de taille supérieure à 20 kb avec la technologie de 10X Genomics. Nous avons ainsi montré le potentiel de la technologie µLAS dans l’analyse et la purification d’ADN de haut poids moléculaire. / In forty years only, DNA sequencing technologies triggered a revolution in biological analysis with the beginning of the genomic era. Nevertheless, this booming technological field is still hampered by unmet technological needs for DNA sample preparation and quality control. The most recent third generation sequencing technologies require very long DNA fragments of more than 50,000 base pairs, the manipulation and characterization of which remains a technological challenge. In the prospect of accelerating and improving state of the art protocols for sample preparation, we developed an instrument, based on the µLAS technology that allows the concentration and separation of high molecular weight DNA fragments with high sensitivity. With this technology, we developed a method for the isolation and sequencing of target genomic regions in complex genomes. We report the isolation, the sequencing and the assembly of a locus of 31.5 kb extracted from the genome of the plant Medicago Truncatula. We finally developed a prototype for high molecular weight DNA purification in complex samples, which is based on a size-accordable DNA valve for the size selection in the range 200 – 50,000 bp. In this manuscript we highlighted the relevance of µLAS technology for the analysis and purification of high molecular weight DNA.

L’alternane-saccharase (ASR) de Leuconostoc citreum NRRL B-1355 est une glucane-saccharase appartenant à la famille 70 des glycoside hydrolases (GH70). Cette α-transglucosylase utilise le saccharose, substrat peu coûteux et abondant, pour catalyser la formation d’un polymère d’α-glucane composé de liaisons osidiques α-1,6 et α-1,3 alternées dans la chaîne principale et appelé alternane. Avec une température optimale de 45°C, l’ASR est parmi les glucane-saccharases les plus stables. Afin d’avoir une meilleure compréhension des déterminants de la spécificité de liaison, de la polymérisation et de la plus haute stabilité de l’ASR, nous avons résolu la structure de cette enzyme. Notre étude par mutagénèse dirigée combinée à du docking moléculaire suggère que la spécificité de liaison est contrôlée par le positionnement de l’accepteur dans l’un ou l’autre des sous-sites +2 ou +2’. Des complexes de l’ASR avec différents ligands ont également mis en évidence un site signature de l’enzyme. Ce site est impliqué dans la formation du polymère d’alternane et pourrait servir de pont facilitant l’élongation processive de l’alternane. Enfin, nos travaux préliminaires indiquent que le domaine C pourrait être impliqué dans la stabilité de ces enzymes. Nos résultats ouvrent des nouvelles pistes d’investigation concernant l’étude des relations structure-fonction des glucane-saccharases et la conception de polymères de structure et propriétés physico-chimiques contrôlées. / The alternansucrase (ASR) from Leuconostoc citreum NRRL B-1355 is a glucansucrase belonging to the family 70 of glycoside hydrolases (GH70). This α-transglucosylase uses a cheap and abundant molecule, sucrose, to catalyze the formation of a unique α-glucan polymer made of alternating α-1,6 and α-1,3 linkages in the main chain, called alternan. With a 45°C optimum temperature, ASR is among the most stable glucansucrases to date. To get a deeper insight in ASR determinants involved in linkage specificity, polymerization and stability, we have solved the unliganded 3D structure of this enzyme at 2.8 Å. Coupled to mutagenesis and molecular docking, our results suggest the alternance to be governed by the acceptor positioning in either +2 or +2’ subsite, and the key contributions of Trp675 or Asp772 residue, respectively. Complexes of ASR with various sugar ligands were also obtained and highlighted a site never identified in any other GH70 enzymes. This site is uniquely found in alternansucrase and could act as a bridge between the domain V and the active site facilitating alternan processive elongation. Finally, the construction and characterization of chimera enzymes suggested domain C to be involved in enzyme stability. Overall, our results improved our knowledge on the structure-function relationship of ASR and open new paths for the conception of polymers with controlled structures and physicochemical properties

La « semicarbazide-sensitive amine oxidase » (SSAO) catalyse la déamination oxydative des amines primaires en aldéhyde, peroxyde d’hydrogène et ammoniac. Elle participe à la différenciation cellulaires, l’inflammation et la transmigration leucocytaire à travers l’endothélium lymphatique. Nos objectifs ont été d’étudier le rôle de la SSAO (i) dans la différenciation chondrocytaire hypertrophique, en relation avec le développement de l’arthrose en utilisant des chondrocytes de rat en culture primaire et des genoux arthrosiques de patients (ii) dans le développement de l’athérosclérose en invalidant des souris ApoE-/- qui développent naturellement l’athérosclérose pour le gène de la SSAO. Au niveau articulaire, la SSAO a été détectée dans le cartilage de rat et humain. In vitro, la SSAO (activité et expression) augmentent au cours de la différenciation terminale de chondrocytes de rat. Son inhibition par le LJP1586 entraîne un retard de différenciation chondrocytaire. La SSAO augmente également dans les zones arthrosiques du cartilage humain parallèlement à l’augmentation de l’hypertrophie. La SSAO jouerait donc un rôle dans la différenciation terminale des chondrocytes (hypertrophie) possiblement via le transport de glucose et dans le développement de la maladie. Au niveau vasculaire, les souris femelles ApoE-/-SSAO-/- de 25 semaines présentent une augmentation de la surface des plaques d’athérome par rapport aux ApoE-/-. Ceci est associée à une diminution de l’expression d’α-actine dans le média sous les plaques et de smMHC dans l’aorte abdominale (AA) sans modification ni de l’infiltration des lymphocytes T; ni des monocytes/ macrophages dans la paroi artérielle, ni du profil cytokinique pro-/anti-inflammatoire dans la rate. A 15 semaines, les souris femelles ApoE-/-SSAO-/-, sm-MHC a diminué dans les AA de ces souris par rapport aux ApoE-/- ainsi qu’une réorientation du trafic des cellules immunitaires vers la paroi aortique sans modification significative de la surface des plaques a été détecté. La SSAO jouerait donc un rôle précoce dans le développement de l’athérosclérose via une modification du trafic des cellules immunitaires et du phénotype des CML dans la paroi / The semicarbazide-sensitive amine oxidase (SSAO) catalyzes the oxidative deamination of primary amines into aldehydes, hydrogen peroxide and ammonia. The SSAO was implicated in cellular differentiation, inflammation and transmigration of leukocyte through the lymphatic. The objectives of this work were to study the role of SSAO (i) in chondrocyte differentiation and in the development of osteoarthritis using rat chondrocyte primary cell culture and osteroarthritic samples from patients. (ii) in the development of atherosclerosis using ApoE-/- mice, which develop naturally atherosclerosis, invalidated for the SSAO gene. Concerning the articulation, the SSAO (expression and activity) was detected in the rat and human cartilage. In vitro, SSAO increases during chondrocyte terminal differentiation (hypertrophy) and the inhibition of its activity by LJP1586, decreases the level of differentiation. In human arthritic cartilage, SSAO was higher that in healthy cartilage, in association with an increase in hypertrophic markers. The SSAO plays a role in the terminal differentiation of chondrocytes and might be involved in the development of osteoarthritis. At the vascular level, 25 week-old female ApoE-/-SSAO-/- mice presented a 50% increase in plaque surface associated with an 80% decrease in α-actin expression in the media of aortic sinus and a decrease in sm-MCH in abdominal aortas (AA) compared to ApoE-/- mice. These results were not due neither to a modification of monocytes/ macrophages, Tcell infiltration in the plaque nor in a pro- or anti-inflammatory cytokine change in spleen. In 15 week-old ApoE-/-SSAO-/- mice, even if no modification of plaque surface was found, a decrease in sm-MHC was noticed in the AA from ApoE-/-SSAO-/- compare to ApoE-/- mice. More over, the immune cell trafficking was increased in the aortic wall of ApoE-/-SSAO-/- compared to ApoE-/- mice. Thus, SSAO is involved in the early development of atherosclerosis in changing the immune cell trafficking and the VSMC phenotype

Les biofilms sont des communautés complexes de microorganismes, enchassées dans une matrice auto-secrétée de substances polymériques extracellulaires ou EPS. Les biofilms se forment à la surface de la plupart des matériaux, qu’ils soient de nature biologique ou non, et sont à l’origine de divers problèmes économiques et sanitaires. Les bactéries dans un biofilm, dites bactéries sessiles, présentent en effet des propriétés phénotypiques qui les distinguent de leurs homologues planctoniques, notamment par une résistance accrue aux antibiotiques et aux traitements de désinfection. D’où, la nécessité de prévenir leur formation et/ ou de leur élimination à partir de stratégies mieux adaptées à ce mode de vie en communauté. Le développement de telles stratégies passe entre autre par une meilleure connaissance des contributions physico-chimiques gouvernant les interactions de ces microorganismes avec leur environnement proche notamment lors des étapes initiales de la formation des biofilms. Deux grands objectifs ont été fixés au début de cette thèse, le premier visant à caractériser, in situ et en temps réel la formation de jeunes biofilms de deux modèles bactériens : une souche naturelle et ubiquitaire de Pseudomonas fluorescens et une souche modèle d’Escherichia coli obtenue par génie génétique pour surexprimer un seul type d’EPS. Le deuxième objectif de cette thèse, consiste à étudier leurs réponses à un stress environnemental ou chimique, notamment quand les biofilms doivent se développer dans des conditions extrêmes de pH. Pour atteindre ces objectifs, différentes techniques ont été combinées pour étudier de l’échelle moléculaire à l’échelle cellulaire le développement des biofilms. La spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier en mode réflexion totale atténuée (FTIR-ATR) a été utilisée pour suivre en temps réel le développement des biofilms. Nous avons pu suivre l’évolution des empreintes spectrales IR-ATR au cours de la formation des biofilms, sous des conditions favorables ou non à leur croissance. De jeunes biofilms de 24 h ont été étudiés par microspectroscopie Raman confocale (MRC), celle ci permettant d’obtenir des informations localisées sur la composition chimique des biofilms. La structure générale des biofilms a été visualisée par la microscopie à épifluorescence. Finalement, les propriétés physico-chimiques des EPS ont été quantifiées par spectroscopie de force atomique à l’échelle de la molécule unique (SMFS pour Single Molecule Force Spectroscopy). / Biofilms are complex communities of microorganisms, embedded in an auto-produced matrix of extracellular polymeric substances or EPS. Biofilms form on the surface of most materials, whether or not they are of biological nature, and cause major economic problems as well as public health concerns. Bacteria within a biofilm also called sessile bacteria, have phenotypic characteristics that distinguish them from their planktonic counterparts, rendering them more resistant to antibiotics and to disinfection strategies. Hence, the prevention of their formation and/ or their elimination requires the use of strategies that are well suited to the sessile mode of life. The development of these strategies begins with a better understanding of the physicochemical contributions that govern the interaction between the sessile community and its environment especially during the first steps of biofilm formation. Two main objectives were defined at the beginning of this thesis, the first was to characterize, in situ, and in real time the development of nascent biofilms. Two bacterial models were studied: a natural and ubiquitous strain of Pseudomonas fluorescens and a model strain of Escherichia coli genetically modified to overexpress one type of EPS. The second objectif was to study their responses towards an environmental or chemical stress; particularly how their development would be affected under extreme conditions of pH. To gain these objectives, different techniques were combined to study from the molecular to the cellular scale the development of biofilms. Fourier Transform Infrared spectroscopy in attenuated total reflection mode was used to evaluate in real time the development of biofilms. We were able to detect changes in the IR-ATR spectral profile along biofilm formation under favorable and non favorable growth conditions. 24 h - old biofilms were characterized using confocal Raman microspectroscopy, which allowed us to gather localized information on their chemical composition. The structure of biofilms was visualized using epifluorescence microscocopy. Finally, physico-chemical properties of EPS were quantified using single molecule force spectroscopy

L'étude des plantes utilisées en médecine traditionnelle au Togo est compliquée à cause de l’absence de matériel de pointe. L'identification assistée par ordinateur de produits basés sur des utilisations en médecine traditionnelle (CAPITURE) a été évaluée dans le cadre d'une enquête ethnobotanique sur le traitement traditionnel des maladies fongiques dans la Préfecture de Tchamba (Togo). Cette méthode a prédit et identifié les plantes les plus biologiquement actives parmi les 43 espèces recensées au cours de l’enquête : Pterocarpus erinaceus prédit être plus actif contre les champignons, et Daniellia oliveri contre les bactéries. Les plantes ont ensuite été testées contre les champignons, les bactéries et les cellules cancéreuses. Comme prédit par CAPITURE, P. erinaceus était plus actif contre les champignons et D. oliveri contre les bactéries. Fait intéressant, les deux plantes ont présenté une activité sur les cellules cancéreuses sans être toxique pour les cellules humaines normales. Dans une troisième étape, en utilisant la chimie analytique, les composés responsables des activités biologiques ont été identifiés. La plupart de ces composés n'ont jamais été signalés dans les espèces végétales ou dans la nature, avec une activité biologique dans la gamme micro-molaire. Enfin, en réduisant la poudre des organes végétaux à la taille de nano-particules, une meilleure activité biologique a été observée par rapport à celle de l'extrait organique. En conclusion, cette recherche a mené à la découverte de nouvelles molécules avec une activité biologique intéressante, molécules qui nécessiteront une étude approfondie et détaillée / The investigation of plants used for traditional medicine in Togo is complicated as modern techniques are not available. Computer-aided product identification from traditional usage records (CAPITURE) was evaluated in the context of an ethnobotanical survey on the traditional treatment of fungal diseases in Tchamba District (Togo). This method predicted and identified the most biologically active plants out of the 43 species survey-recorded: Pterocarpus erinaceus predicted to be more active against fungi and Daniellia oliveri against bacteria. The plants were then tested against fungi, bacteria and cancer cells. As predicted with CAPITURE, P. erinaceus was more active against fungi and D. oliveri against bacteria. Interestingly, both plants presented activity on cancer cells without being toxic to normal human cells. In a third step, using analytical chemistry, the compounds responsible for the biological activities were identified. Most of those compounds have never been reported in the plant species or in nature at all, with biological activity in the micromolar range. Finally, pharmaceutical technology was used: by nanosizing the powder of the plant organs, a better biological activity was observed in comparison to that of the organic extract. In conclusion, this research led to the discovery of new molecules with an interesting biological activity that will need further and more detailed investigation

La production de protéines hétérologues permet de développer une nouvelle génération de vaccins. La bactérie Escherichia coli est l’un des organismes hôtes les plus utilisés pour la production de protéines hétérologues, appelées également protéines recombinantes. Le déclenchement de la production de protéine altère la croissance bactérienne en réponse à la réallocation des ressources métaboliques vers la synthèse de la protéine ; ce qui peut conduire à l’arrêt complet de la croissance. Le maintien de la croissance bactérienne durant la production de la protéine recombinante est pourtant essentiel pour améliorer significativement la quantité et la fonctionnalité des protéines produites. Dans une démarche rationnelle visant à développer un système biologique robuste et performant pour la production d’une grande diversité de protéines recombinantes chez E. coli, les contraintes métaboliques liées à leur production ont été quantifiées. A partir de ces résultats, le système d’expression T7 a été intégré à la régulation métabolique et traductionnelle de la bactérie E. coli BL21 (DE3) afin d’adapter la vitesse de production avec les capacités métaboliques de la souche. Ce nouveau système biologique de production a ainsi permis d’augmenter considérablement les quantités de protéines produites et offre la possibilité de développer de nouveaux procédés performants de production semi-continus et continus en milieu chimiquement défini. / The production of heterologous proteins offers the ability to develop a new generation of vaccines. The most used organism for the production of heterologous proteins, also called recombinant proteins, is the bacterium Escherichia coli. However, the induction of the production often alleviates the bacterial growth by the new allocation of metabolic resources toward the production of the recombinant protein. Even, this may also lead to growth arrest. The production of high quantities of functional recombinant proteins requires a good balance between of bacterial growth and production of the recombinant protein.In order to rationally develop a robust and an efficient biological system for the production of a large variety of recombinant proteins in E. coli, the metabolic constraints associated to their production have been quantified. From this observation, the T7 expression system has been integrated into the metabolic and translational regulation of the E. coli BL21 (DE3) in order to adjust as perfect as possible the protein production rate to the metabolic capacities of the strain. This new biological production system has made it possible to significantly increase the quantities of proteins produced and opens up the possibility of developing performant semi-continuous and continuous production processes in a chemically defined medium.