De nombreux systèmes biologiques sont intrinsèquement polydispersés, présentant de multiples espèces coexistantes, de taille, de forme ou de conformation différentes (c'est-à-dire, mélanges oligomèriques, des complexes faiblement liés se dissociant en composantes individuelles ou des espèces apparaissant lors de processus amyloïdogéniques). L'étude de tels systèmes complexes est une tâche difficile en raison de l'instabilité des espèces concernées, de leurs concentrations relatives faibles et interdépendantes et des difficultés rencontrées pour l'isolation des composantes pures. Dans cette thèse, j'ai développé des approches méthodologiques pour appliquer la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), une technique de biologie structurale, à l'étude de systèmes polydispersés. SAXS est une technique additive et par conséquent, le diagramme de diffusion mesuré pour un échantillon polydispersé correspond à la somme pondérée en concentration des contributions de chacune des composantes individuelles du mélange. Cependant, la décomposition des données de SAXS en des spectres spécifiques des espèces et de leurs concentrations relatives est extrêmement laborieuse et ambigue. Dans cette thèse, je présente d'abord une approche objective pour solidement décomposer les jeux de données de SAXS en composantes individuelles. Cette approche adapte la méthode chimiométrique « Multivariable Curve Resolution Alternate Least Squares » (MCR-ALS) aux spécificités des données de SAXS. Notre méthode permet une décomposition rigoureuse et robuste des données de SAXS en introduisant simultanément différentes représentations de ces données et par conséquent, en mettant l'accent sur des changements moléculaires à différentes plages de temps et de résolution structurale. Nous avons appliqué cette approche, que nous appelons COSMiCS (Analyse structurelle objective complexe des systèmes multi-composants) pour étudier deux systèmes polydispersés: la fibrillation des protéines, et les fluctuations conformationnelles de protéines grâce à l'analyse de données obtenues à l'aide d’une technique de couplage de chromatographie d'exclusion de taille (SEC) avec le ligne de SAXS (SEC-SAXS). L'importance d'étudier les processus de fibrillation réside dans leur implication dans des pathologies amyloïdogéniques telles que les maladies de Parkinson ou d'Alzheimer. Il existe de fortes indications que les espèces oligomériques solubles, et non les fibrilles matures, sont la cause principale de la cytotoxicité et des dommages neuronaux. Cette observation souligne l'importance de caractériser les premiers stades des processus de fibrillation. Notre approche COSMiCS a permis d'étudier les processus amyloïdogéniques de l'insuline et du mutant familial E46K de l'α-synucléine, une protéine associée à la maladie de Parkinson. Cette analyse permet la caractérisation structurale des espèces présentes (y compris les espèces oligomériques) et la caractérisation cinétique de leurs transformations.La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'utilisation de COSMiCS pour analyser des données de SEC-SAXS. Le SEC-SAXS est extrêmement populaire et a été implémenté sur plusieurs lignes de SAXS à travers le monde. En utilisant des données synthétiques, je démontre la capacité des approches chimiométriques à décomposer des profils chromatographiques complexes. À l'aide de cette approche, j'ai décomposé l’ensemble des données SEC-SAXS mesurés pour la Prolyl OligoPeptidase (POP).En résumé, cette thèse présente une nouvelle approche chimiométrique qui peut être généralement appliquée à tout mélange macromoléculaire pouvant subir une modifacation de son équilibre et pouvant être abordé par SAXS. Les complexes biomoleculaires transitoires, les processus de repliement, les réarrangements structuraux dépendants d’un ligand ou la formation de grands ensembles supramoleculaires peuvent être sondés de façon structurale en utilisant l'approche COSMiCS. / Many biological systems are inherently polydisperse, presenting multiple coexisting species differing in size, shape or conformation (i.e. oligomeric mixtures, weakly bound complexes, and species appearing along amyloidogenic processes). The study of such complex systems is challenging due to the instability of the species involved, their low and interdependent relative concentrations, and the difficulties to isolate the pure components. In this thesis, I have developed methodological approaches to apply Small-Angle X-ray Scattering (SAXS), a low-resolution structural biology technique, to the study of polydisperse systems. As an additive technique, the SAXS pattern measured for a polydisperse sample corresponds to the concentration-weighted sum of the contributions from each of the individual components. However, decomposition of SAXS data into species-specific spectra and relative concentrations is laborious and burdened by ambiguity. In this thesis, I present an approach to decompose SAXS datasets into the individual components. This approach adapts the chemometrics Multivariate Curve Resolution Alternating Least Squares (MCR-ALS) method to the specificities of SAXS data. Our method enables the rigorous and robust decomposition of SAXS data by simultaneously introducing different representations of these data and, consequently, emphasizing molecular changes at different time and structural resolution ranges. We have applied this approach, which we name COSMiCS (Complex Objective Structural analysis of Multi-Component Systems), to study two polydisperse systems: amyloid fibrillation by analysing time-dependent SAXSdata, and conformational fluctuations through the analysis of data obtained using on-line size-exclusion chromatography coupled to SAXS (SEC-SAXS). The importance of studying fibrillation processes lies in their implication in amyloidogenic pathologies such as Parkinson’s or Alzheimer’s diseases. There exist strong indications that soluble oligomeric species, and not mature fibrils, are the main cause of cytotoxicity and neuronal damage emphasizing the importance of characterizing early stages of fibrillation. The first application of our COSMiCS approach has allowed the study of the amyloidogenic mechanisms of insulin and the familial mutant E46K of ↵-synuclein, a Parkinson’s disease related protein. The analysis enables the structural characterization of all the species present as well as their kinetic transformations. The second part of the thesis is dedicated to the use of COSMiCS to analyze on-line SEC-SAXS experiments. Using synthetic data, I demonstrate the capacity of chemometric approaches to decompose complex chromatographic profiles. Using this approach, I have studied the conformational fluctuations in prolyl oligopeptidase (POP), a protein related to synaptic functions and neuronal development. In summary, this thesis presents a novel chemometrics approach that can be generally applied to any macromolecular mixture with a tuneable equilibrium that is amenableto SAXS. Transient biomolecular complexes, folding processes, or ligand-dependent structural rearrangements can be probed structurally using COSMiCS.

Le développement d'alternatives durables aux catalyseurs actuels est un sujet clé de la chimie verte. Parmi les différentes approches proposées, l'élaboration de métalloenzymes artificielles permet de combiner l'efficacité des enzymes avec la versatilité des catalyseurs chimiques. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à l'élaboration de nouveaux catalyseurs hybrides bio- inorganiques, préparés par incorporation de complexes métalliques dans les fibres amyloïdes. Ces agrégats de protéines démontrent des propriétés mécaniques exceptionnelles en biologie, qui en font des candidats de choix pour une application en catalyse. Une première partie de ce travail a consisté à surexprimer les peptides β-amyloïdes dans Escherichia coli. Une nouvelle méthode de purification des peptides a ensuite été établie permettant d'obtenir des échantillons de haute qualité en seulement quelques étapes. Une série de ligands organiques a également été synthétisée, ainsi que les complexes de Cu(II), Fe(II) et Ru(II) correspondants. L'interaction entre ces complexes et les fibres amyloïdes a été évaluée à l'aide de différentes techniques (UV-Visible, fluorescence, RMN...) et étudiée par modélisation moléculaire pour donner accès à de nouvelles informations concernant les sites potentiels d'interaction. Enfin, des études de catalyse ont été menées sur les complexes de Fe(II), démontrant des conversions élevées pour la réaction d'oxydation du styrène. Des résultats préliminaires sur les systèmes hybrides montrent que cette activité est maintenue en présence de fibres, validant le concept de catalyseurs hybrides préparés à partir de fibres amyloïdes. / Developing sustainable alternatives to catalytic systems developed to date is a key point of the Green Chemistry Principles. Among the different existing approaches, the artificial metalloenzyme strategy aims at combining the efficiency of enzymes with the versatility of chemical catalysts. In this context, we turned our interest in developing a new type of bioinorganic hybrid catalysts through incorporation of coordination complexes in amyloid fibres. These protein aggregates display unique mechanical properties that make them good candidates for applications in catalysis. In a first part, our work consisted in overexpressing amyloid-βpeptides in Escherichia coli. A new purification procedure was set up that allowed to obtain peptides in a few steps. A series of organic ligands was synthesized, as well as the corresponding Cu(II), Fe(II) and Ru(II) complexes. The interaction between amyloid fibres and metal complexes was assessed, using a set of techniques (UV-Visible, Fluorescence, NMR...). Docking studies were also conducted by molecular modelling to acquire further insights in the interaction. Finally, catalytic experiments were performed with Fe(II) complexes, showing high conversion rates for styrene oxidation reaction. Preliminary results on the final hybrid systems show that the catalytic activity of metal complexes is maintained upon incorporation within fibres. This constitutes a proof of concept for the elaboration of hybrid catalysts based on amyloid fibres.

Les porines sont des protéines « canal » qui assurent la diffusion non-spécifique des ions et nutriments au sein des bactéries à Gram-négatif. Elles sont également la voie d'entrée des antibiotiques hydrophiles, en particulier les β-lactames. Des mutations au sein des porines, ou leur sous-expression, ont été rapportées dans de nombreux cas d'infections multi-résistantes au cours de la dernière décade, soulignant le rôle de ces protéines dans la résistance aux antibiotiques.La première partie de ma thèse a porté sur l'étude des relations structure fonction au sein des deux porines non spécifiques de Providencia stuartii, Omp-Pst1 et Omp-Pst2. Il a été montré qu'Omp-Pst1 est majoritairement responsable de l'entrée des antibiotiques. Afin de comprendre comment évolue cette porine in situ, nous avons réalisé une étude comparative sur les variantes d'Omp-Pst1 issues de la souche sauvage et de deux isolats cliniques. Globalement, ces structures pointent vers un consensus dans l'adaptation des porines in situ, lequel repose sur l'accumulation de résidus chargés positivement dans les boucles extracellulaires et dans le canal. Cette observation est en accord avec les mesures de translocation effectuées à l'échelle de la porine unique, lesquelles montrent une diffusion ralentie des antibiotiques chargés négativement au travers des porines issues des isolats cliniques. Mis ensemble, nos résultats démontrent le rôle critique joué par les porines dans la résistance aux antibiotiques, lequel vise à diminuer l'influx de ces derniers tout en conservant l'habilité pour la bactérie de se nourrir.La deuxième partie de ma thèse s'est focalisée sur une fonction inédite des porines, à savoir leur rôle dans l'association intercellulaire et la genèse de biofilms bactériens. Les porines sont généralement exprimées sous la forme de trimères fonctionnels enchâssés dans la membrane externe des bactéries à Gram-négatif. Le mécanisme d'adhésion mis en évidence par mes travaux de thèse repose sur la formation de dimères de trimères de porines, associées face à face par leurs boucles externes, grâce à une interaction de type steric zipper. En exploitant un large panel de méthodologies biophysiques et d'imageries, nous avons caractérisé les propriétés adhésives d'Omp-Pst1 et Omp-Pst2, à la fois in vitro et in vivo. Nous avons également investigué le transport de petites molécules fluorescentes au travers de ces dimères de porines, afin de vérifier leur putative implication dans la communication intercellulaire. Nos résultats démontrent la capacité des porines Omp-Pst1 et Omp-Pst2 à former des jonctions intercellulaires et les suggèrent donc comme des cibles thérapeutiques prometteuses dans la lutte contre les infections bactériennes. / Present in the outer membrane of bacteria, porins are the main gateway for soluble molecules, such as nutrients and ions, into the bacteria. They are also the way taken by hydrophilic antibiotics to reach their targets and kill the cell. Under the strong selective pressure caused by antibiotic overuse, bacteria have evolved modified porins that are less permeable to antibiotics. Although not the only strategy developed by bacteria to survive drug treatment, it is an important factor in the spreading phenomenon of multidrug resistant infections.In order to gain further insights into the molecular determinants of antibiotic translocation, the first part of my thesis work aimed at resolving the crystallographic structures of Omp-Pst1 and Omp-Pst2, two non-specific porins encoded in the genome of Providencia stuartii. This bacterial species is not very invasive and, therefore, causes endemic rather than epidemic infections. However, these infections are often fatal given the intrinsically stringent MDR phenotype of this species. It has been shown that Omp-Pst1 is the main entrance for β-lactam antibiotics. To provide structural and functional insights into the contribution of P. stuartii porins to antibiotic resistance phenotypes, structural analysis was undertaken, not only from the wild type strain but also from two clinical mutant strains i.e. Omp-Pst1-99645 and Omp-Pst1-Nea16. Mutations result in more pronounced anion selectivity due to an increased number of positively charged amino acids lining the pore and mostly in the extracellular loops in both mutants compared to the wild type. To further determine whether these mutations contributed to a decrease in antibiotic uptake, we undertook the characterization of β-lactam antibiotics transport kinetics using electrophysiology studies at the single protein level. For the zwitterionic β-lactam tested, single-molecule conductance measurements evidenced a decrease in the association rate constant, in both mutants compared to the wild type. However, we observed instead an increase in these values for the negatively charged β-lactam, which is in good agreement with our structure-based analysis. All together, our results point towards porins playing a major role in the antibiotic resistance mechanism by reducing drug uptake.In the second part of my thesis work, we discovered that porins could self-associate to form adhesive junctions between two cells and could provide the initial scaffold for the establishment of biofilms at early stages of their developpement. The self-matching interaction is mediated by a steric zipper interaction and involves their extracellular loops. In order to confirm the adhesive proprieties of porins, we exploited a large panel of biophysical and imaging methods both in vitro and in vivo. Furthermore, we studied their diffusive proprieties in reconstituted liposomes, to explore whether these self-matching interactions between porins could play a role in cell-to-cell communication. Our results point at a major role of P. stuartii porins, Omp-Pst1 and Omp-Pst2, in cell-to-cell adhesion and make them promising targets to disrupt bacterial biofilm infections.

Le repliement des protéines est un des problèmes centraux de la biologie. Il s'agit de comprendre comment la chaîne polypeptidique d'une protéine se replie pour acquérir sa structure tridimensionnelle biologiquement active. Il a été démontré dans les années 60 que la forme repliée de la protéine est le plus stable d'un point de vue thermodynamique et qu'il est défini par la structure primaire. La réaction de repliement correspond ainsi à la dernière étape de l'utilisation de l'information contenue dans l'ADN. Cependant, Il est possible que les protéines se replient mal et interagissent entre elles pour former des fibres amyloïdes. Ce sont des agrégats structurés impliqués dans plusieurs maladies comme la maladie d'Alzheimer, de Parkinson... <br>Ces phénomènes sont étudiés ici dans le cas de l'alpha-lactalbumine, une protéine du lait qui possède un site de liaison pour le calcium. Le repliement est tout d'abord étudié en présence de métaux se liant au site du calcium. Ces expériences sont couplées à des expériences de dénaturation thermiques pour caractériser le rôle de la fixation des métaux sur les différents états de la protéine et son influence sur la cinétique de repliement.<br>La réaction est ensuite caractérisée en absence d'ion métallique. Elle est alors beaucoup plus lente et complexe. Différentes techniques spectroscopiques sont utilisées. Les résultats obtenus permettent de proposer un schéma réactionnel selon lequel un état précurseur de fibres amyloïdes est transitoirement peuplé. Enfin, pour compléter cette étude, les effets des interactions entre protéines sur la formation de fibres amyloïdes ont été étudiés pour différentes concentrations en sel.

Les maladies dites ''conformationnelles'' sont caractérisées par un mauvais repliement des protéines qui, de ce fait, ne peuvent plus assurer leur fonction biologique. C'est le cas des amyloses, ces pathologies impliquent des protéines ayant la capacité de s'agréger pour former des structures spécifiques appelées « fibres amyloïdes ». Aujourd'hui, une trentaine de protéines humaines sont connues pour former ce type de fibres et notamment la protéine tau. Celle-ci est associée à plusieurs maladies neurodégénératives, regroupées sous le terme de « tauopathies », incluant la maladie d'Alzheimer. En conditions physiologiques, tau est associée aux microtubules et régule leur polymérisation. Dans les tauopathies, elle devient hyperphosphorylée et s'agrège dans les neurones sous forme de neurodégénérescences fibrillaires (NFTs) toxiques. Les protéines chaperons et particulièrement la protéine de choc thermique de 90 kDa, Hsp90, régule l'homéostasie de la protéine tau. L'interaction entre tau et Hsp90 implique différentes régions de la protéine tau dont celle contenant un hexapeptide de séquence VQIVYK. Ce court fragment est nécessaire et suffisant pour induire la fibrillation de la protéine tau entière in vivo. Cet hexapeptide est également capable, à lui seul, de former des fibres amyloïdes, in vitro, comparables à celles retrouvées in vivo. Nous avons donc choisi d'utiliser l'hexapeptide VQIVYK comme modèle d'étude de la fibrillation, in vitro, et testé l'effet de Hsp90 sur les processus agrégatifs du peptide. Nous avons démontré que Hsp90 interagit spécifiquement avec les structures amyloïdes formées par le peptide et qu'elle est capable d'inhiber à la fois la polymérisation et la dépolymérisation des fibres. Ce rôle antagoniste joué par Hsp90 permet la stabilisation d'espèces amyloïdes intermédiaires supposées moins neurotoxiques. Ces résultats confirment l'implication de Hsp90 dans les processus agrégatifs de la protéine tau et ouvrent de nouvelles perspectives thérapeutiques contre les pathologies neurodégénératives. De plus, cette étude apporte des éléments de réponse sur le fonctionnement des chaperons moléculaires vis-à-vis de leur protéine cliente. / Conformational diseases are characterized by protein misfolding which causes a loss of biological activity. Amyloidosis is one of these diseases, and it involves the ability of proteins to self-aggregate into specific structures called “amyloid fibers”. At least thirty human proteins, including tau, are known to form amyloid fibers. The tau protein is linked to several neurodegenerative diseases called tauopathies, including Alzheimer’s disease. Tau is in physiological conditions associated with microtubules and regulates their polymerization. In tauopathies, tau becomes hyper-phosphorylated and aggregates into neurotoxic neurofibrillary tangles (NFTs). Molecular chaperones, and particularly the 90-kDa heat shock protein (Hsp90), regulate tau homeostasis. The interaction between tau and Hsp90 involves several tau regions including the sequence VQIVYK. This short fragment is necessary and sufficient on its own to induce aggregation of the full tau protein in vivo. In vitro this hexapeptide is also able to form amyloid fibers similar to those found in vivo. We therefore used this hexapeptide as an in vitro model to study the process of amyloid fibrillation and to test Hsp90’s effects on it. We demonstrated that Hsp90 interacts specifically with peptide fibrillar structures and that Hsp90 is able to inhibit both the polymerization and depolymerization processes. This antagonistic role for Hsp90 allows the stabilization of intermediate amyloid species that may display a lower neurotoxicity. These results confirm that Hsp90 is involved in tau’s aggregation process and paves the way for new therapeutic perspectives in neurodegenerative diseases. Our study also provides clues to the understanding of how molecular chaperones assist in the folding of their client proteins.

La maladie d'Alzheimer (MA) est une pathologie neurodégénérative s'exprimant par des troubles de la mémoire et un déclin cognitif évoluant progressivement vers un stade de démence incurable. Elle représente la cause principale de syndrome démentiel puisque l'on estime qu'elle est à l'origine de plus de 70% des cas de démences. Du fait de sa prévalence élevée après 60 ans, la MA représente un problème majeur de santé publique. La MA se caractérise par la présence de deux types de lésions cérébrales : les dégénérescences neurofibrillaires (DNF) et les plaques amyloïdes. Cependant, aucun consensus clair ne se dégage concernant les relations qui lient les deux types de lésions. Leur présence ne peut être mise en évidence que par un examen post-mortem. La MA est par définition une pathologie évolutive, cet examen ne permet donc pas de caractériser de manière adéquate les processus dynamiques qui sous-tendent cette pathologie. La mise au point de techniques d'imagerie non invasives permettant de réaliser un suivi longitudinal in vivo de ces lésions s'avère déterminante dans la compréhension de la physiopathologie de la MA. Les travaux effectués au cours de cette thèse ont pour objectif la mise au point de nouveaux radiotraceurs des lésions amyloïdes et neurofibrillaires pour l'imagerie nucléaire. Cette approche se distingue en trois parties. Dans un premier temps, nous avons validé un modèle animal de la MA: les souris transgéniques 3xTgAD. Dans un second temps, nous avons réalisé l'évaluation biologique de différents radiotraceurs connus sur ce modèle animal : le 99mTc-HMPAO, le 18F-FDG et le 125I-IMPY. Enfin, nous avons initié le développement de plusieurs nouveaux traceurs pour permettre le suivi de la MA in vivo : les para-sulfonato-calixarènes qui présentent une affinité intéressante pour les plaques amyloïdes, les composés COB qui inhibent la formation des agrégats de peptides amyloïdes in vitro ainsi qu'un peptide, A93, associé à un vecteur qui pourrait interagir avec les dégénérescences neurofibrillaires.

La maladie d'Alzheimer (MA) est une pathologie neurodégénérative s'exprimant par des troubles de la mémoire et un déclin cognitif évoluant progressivement vers un stade de démence incurable. Elle représente la cause principale de syndrome démentiel puisque l'on estime qu'elle est à l'origine de plus de 70% des cas de démences. Du fait de sa prévalence élevée après 60 ans, la MA représente un problème majeur de santé publique. La MA se caractérise par la présence de deux types de lésions cérébrales : les dégénérescences neurofibrillaires (DNF) et les plaques amyloïdes. Cependant, aucun consensus clair ne se dégage concernant les relations qui lient les deux types de lésions. Leur présence ne peut être mise en évidence que par un examen post-mortem. La MA est par définition une pathologie évolutive, cet examen ne permet donc pas de caractériser de manière adéquate les processus dynamiques qui sous-tendent cette pathologie. La mise au point de techniques d'imagerie non invasives permettant de réaliser un suivi longitudinal in vivo de ces lésions s'avère déterminante dans la compréhension de la physiopathologie de la MA. Les travaux effectués au cours de cette thèse ont pour objectif la mise au point de nouveaux radiotraceurs des lésions amyloïdes et neurofibrillaires pour l'imagerie nucléaire. Cette approche se distingue en trois parties. Dans un premier temps, nous avons validé un modèle animal de la MA: les souris transgéniques 3xTgAD. Dans un second temps, nous avons réalisé l'évaluation biologique de différents radiotraceurs connus sur ce modèle animal : le 99mTc-HMPAO, le 18F-FDG et le 125I-IMPY. Enfin, nous avons initié le développement de plusieurs nouveaux traceurs pour permettre le suivi de la MA in vivo : les para-sulfonato-calixarènes qui présentent une affinité intéressante pour les plaques amyloïdes, les composés COB qui inhibent la formation des agrégats de peptides amyloïdes in vitro ainsi qu'un peptide, A93, associé à un vecteur qui pourrait interagir avec les dégénérescences neurofibrillaires. / Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative pathology showing cognitive and memory disorders which progress toward an incurable demential state. AD represents the principle cause of the dementia syndrome and it is estimated that AD is involved in 70% of dementia cases. AD prevalence is high in the over 60 years old population. This elevated prevalence is associated with an increasing number of elderly people. AD is therefore a major public health concern. AD is characterized by two types of specific cerebral lesions: neurofibrillary tangles (NFT) and amyloid plaques. However, there is no consensus on the links between these two types of lesions. To date, their presence can only be evaluated by a post-mortem examination. AD being a progressive pathology, this examination cannot be used to fully characterize the dynamic processes involved in AD. In this context, the development of non invasive imaging techniques to monitor the lesions progression in vivo could be determinant in AD pathophysiology understanding. Our objective is to develop new tracers of amyloid and neurofibrillary lesions for nuclear imaging. The first part of this study was dedicated to the validatation of an AD animal model: Transgenic 3xTgAD mice. The second part of this thesis focuses on the appreciatiation of the biological comportement of several known radiotracers of AD on this animal model. In the third part of this work, we initiate the development of several new tracers of AD-specific lesions. The para-sulfonato- calixarenes and the COB compounds for amyloid plaques detection and a peptide named A93, associated to a vector for the study of neurofibrillary tangles.

Le Laboratoire de Recherche en Nanosciences EA 4682 s’est récemment équipé de la microscopie à force atomique haute-vitesse (HS-AFM) permettant la visualisation en temps réel des dynamiques d’interactions d’un panel infini d’échantillons biologiques à l’échelle nanométrique. De nombreux champ de recherche nécessite la mise au point de techniques permettant à la fois une imagerie dynamique (vidéomicroscopie) mais également de plus en plus une imagerie haute résolution (microscopie champ proche). Ce couplage a été récemment obtenu grâce au développement de la microscopie à force atomique ultra-rapide. La limitation actuelle de ce microscope ultra-rapide, à savoir l’acquisition d’informations en relation uniquement avec la surface de l’objet biologique étudié, crée un rempart à l’obtention de connaissances nouvelles sur les dynamiques sous-jacentes que renferment certains systèmes biomoléculaires. Pour s’affranchir de cette contrainte, nous nous proposons dans ce projet de faire évoluer notre outil de nanocaractérisation en lui ajoutant des fonctionnalités optiques et des fonctionnalités permettant de faire de la spectroscopie de force. La conduite de ce projet se fera selon un travail de développement instrumental scindé en deux grandes étapes : - l’apport d’outils de microscopie optique conventionnels : FRAP – FRET – FLIM – Fluorescence – TIRFM. Nous couplons ainsi la nanocaractérisation hautement résolue spatialement et temporellement avec des informations intrinsèques de nos échantillons. Cette complémentarité apparaît de plus en plus comme fondamentale dans les demandes des biologistes. - la mise au point de protocoles de fonctionnalisation de leviers AFM afin de réaliser de la spectroscopie de force et ainsi obtenir des informations sur les propriétés mécaniques des échantillons biologiques. Ce projet de recherche sera réalisé au Laboratoire de Recherche en Nanosciences EA 4682, Université de Reims Champagne Ardenne sous la direction du Pr. Michael Molinari et du Dr. Maxime Ewald récemment recruté en tant que maître de conférences (sept. 2013) et qui pu démarrer la thématique de la microscopie AFM haute-vitesse au sein de l’équipe. Il s’effectuera en collaboration avec le Pr. T. Ando du Biophysics Lab’ de l’Université de Kanazawa (Japon) pour la partie instrumentation, et avec le Dr. Gabriel Paës pour l’étude des échantillons biologiques. Les objets étudiés lors de cette thèse seront liés au projet ANR Lignoprog qui vient de démarrer au 1er novembre 2014 porté par Dr. Gabriel Paës (INRA UMR FARE, Reims). Dans ce projet, des échantillons biologiques se doivent d’être caractériser en dynamique. Ils concernent la biomasse lignocellulosique (BL), réseau complexe de polymères constituant les parois végétales (PV). La complexité architecturale et chimique de la BL est un frein à sa conversion industrielle. Pour atteindre ce but, non seulement la fraction cellulosique mais aussi les fractions hémicellulosiques et ligneuses doivent être valorisées, sinon les bio-raffineries ne seront pas compétitives. Le principal challenge à relever est celui du coût élevé et de la relative faible efficacité de l’étape de déconstruction enzymatique de la BL. Avec les fonctionnalités d’imagerie développées dans ce projet, nous espérons apporter des éléments de réponses sur la déconstruction enzymatique. Par ailleurs, même si les objets étudiés seront principalement ceux du projet Lignoprog, une validation du dispositif pourra être réalisée en parallèle sur d’autres échantillons biologiques tels que des cellules vivantes seront envisagées : caractérisation, mise en évidence leur réactivité vis-à-vis des divers paramètres physiologiques du milieu (pH, concentration, composition), corrélation de ces résultats avec leurs propriétés mécaniques. / Our laboratory recently acquired a high-speed atomic force microscope (HS-AFM) which enables us to visualize in real time a wide range of biological samples and their dynamics of interaction at nanoscale. Several research fields require the development of new techniques in order to get high resolution imaging and dynamic imaging at the same time. This is why HS-AFM was developed. Its current limitation is that the only data it provides are about the surface which means we can’t get access to what occurs beneath. This is limiting the knowledge we could get about the underlying dynamics of some biomolecular system. In order to overcome this issue, we propose to upgrade this nanocharacterization tool by combining optical microscopy and force spectroscopy. This project of instrumental development will be in two major steps: - the adding of conventional optical microscopy : fluorescence, TIRFM, FRAP, FRET, FLIM. The aim is to nanocharacterize sample with highly spatiotemporal data combined in combination with integral data (fundamental to respond to biological issues) - the development of tip functionalization protocols in order to achieve force spectroscopy and get mechanical properties of biological samples This project will take place at the Laboratory of Research in Nanosciences, EA 4682, University of Reims Champagne Ardennes, under the supervision of Pr. Michael Molinari and Dr. Maxime Ewald who started HS-AFM among our team. We will collaborate with Pr. T. Ando from the Biophysics Lab of Kanazawa University (Japan) for the instrumental part and with Dr. Gabriel Paës for the biological samples. The samples used during this thesis will be linked to an ANR project called Lignoprog directed by Dr. Gabriel Paës (INRA, UMR FARE, Reims) and started on the first of November, 2014. In the project, the dynamical aspect of the biological samples is essential. Indeed, lignocellulosic biomass is a complex network of polymers composing plant cell wall. Its architectural and chemical complexity prevents its industrial conversion. In order to be cost-effective, bio refineries need to valorize all the fractions: cellulose, hemicelluloses and lignins. The major challenge is the high cost and low efficiency of the enzymatic hydrolysis of the lignocellulosic biomass. Our aim is to bring some answer to understand better and improve enzymatic hydrolysis thanks to the HS-AFM and the combination of new functionalities. By the way, the disposal might be validated on other biological samples in parallel, such as live cells in order to characterize them, enlighten their reactivity in response to physiological parameters of the medium (pH, concentration, composition) and correlate the results with mechanical properties.