Depuis les premières structures de protéines déterminées dans les années 1950, la cristallographie aux rayons X s’est imposée comme une méthode de choix pour l’obtention de données structurales à l’échelle atomique. Malgré les progrès technologiques qui ont révolutionné cette méthode (sources synchrotron, détecteurs pixel, programmes informatiques performants), l’obtention d’une carte de densité électronique permettant de modéliser la structure d’une macromolécule demeure toujours limitée par deux goulots d’étranglement qui sont, l’obtention de cristaux de la macromolécule d’intérêt et la résolution du problème des phases inhérent à l’enregistrement des données de diffraction.Cette thèse présente un nouveau complexe de lanthanide appelé « crystallophore » (Tb-Xo4). Cette molécule a été développé en collaboration avec Olivier Maury et François Riobé du laboratoire de chimie Matériaux Fonctionnels et Photonique (ENS –Lyon). La conception de ce nouveau complexe est basée sur quinze années de développement dans le domaine de la biologie structurale. Cette thèse présente les effets uniques induits par de Tb-Xo4 sur la cristallisation et sur la détermination des structures de macromolécules biologiques. L’ajout de Tb-Xo4 au cours de la cristallisation permet d’induire un nombre important de conditions de cristallisation exploitables dont certaines sont propres à la présence du crystallophore. L’analyse des structures atomiques de différentes protéines co-cristallisées en présence de Tb-Xo4 a permis à la fois de mettre en avant le pouvoir phasant élevé de Tb-Xo4 mais également de décrire finement l’interaction supramoléculaire du complexe avec la surface des macromolécules. Ce travail a conduit à la mise en place de protocoles de cristallisation et de phasage des macromolécules biologique assistés par Tb-Xo4. Sur la base de la compréhension du mode d’interaction de ce nouveau composé, cette thèse aboutit à la proposition d’un modèle expliquant les propriétés uniques de ce nouveau complexe de lanthanide. / Since the first protein structure determined in the 1950s, X-ray crystallography emerged as a method of choice to obtain structural data at atomic resolution. Despite technological advances such as new synchrotron sources, hybrid pixel detectors, and high-performance softwares, obtaining an electron density map of a biological macromolecule is always limited by two major bottlenecks namely, producing high quality single crystals and solving the phase problem.This thesis presents a new lanthanide complex called “Crystallophore” (Tb-Xo4). This compound has been developed in collaboration with Olivier Maury and François Riobé of the Laboratoire de chimie Matériaux Fonctionnels et Photonique (ENS –Lyon). The design of this new complex is based on fifteen years of development in the field of structural biology. This thesis highlights the effects of Tb-Xo4 on the crystallisation and the structure determination of biological macromolecules. Indeed, the addition of Tb-Xo4 to a protein solution induces a large number of new and unique crystallization conditions. The analysis of the structures of several proteins co-crystallized with Tb-Xo4 allowed both, to highlight the high phasing power of Tb-Xo4 but also to describe finely the supramolecular interaction of the complex with the macromolecules. This work led to protocols dedicated to crystallization and phasing assisted with Tb-Xo4. Finally, this thesis leads to a model explaining the unique properties of this new lanthanide complex.

In this thesis, fundamental questions about the nature of the solvent/counter-ion region of x-ray crystal structures are raised. The ambiguity in the identity and occupancy of the molecular and atomic species in this region is explored experimentally. Anomalous scattering is proposed as a possible method for resolving this ambiguity. To this effect, the properties of rubidium I and thallium I are compared and contrasted to each other and to other group I metals. Finally, the structures of two modified B-DNA dodecamers are determined to explore the effect of monovalent cations on B-DNA structure. The modifications in these structures harbor tethered cations that are covalently linked to the DNA in the major groove. In one structure, the tethered cation causes axial bending of the DNA molecule, while in the second structure the molecule remains linear. We posit that the discrepancy between the two structures is due to lattice packing forces. In addition, we show evidence for the displacement of thallium I cations from the major groove of the bent structure.

Ce travail de thèse a pour objectif d'étudier les rôles de la taille, de la composition et de la cinétique de croissance sur la morphologie, la structure, et l'état de mélange de l'argent et du cobalt dans des nanoparticules bimétalliques supportées AgCo. Dans ce but, des mesures in-situ et en temps réel par diffusion des rayons X aux petits et aux grands angles en géométrie d'incidence rasante, et en condition anomale, ont été effectuées au cours de la croissance des nanoparticules AgCo dans des conditions de dépôt simultané ou successif des métaux. Des recuits ont ensuite été réalisés afin d'étudier la stabilité des structures obtenues à température ambiante, et d'observer d'éventuelles transitions activées thermiquement. Pour l'ensemble des modes de dépôt, les nanoparticules (dans une gamme de taille comprise entre 2 et 7nm) présentent une configuration chimique ségrégée. Pour des dépôts successifs de Co puis d'Ag, les nanoparticules sont constituées d'un (ou plusieurs) domaine(s) d'Ag juxtaposé(s) à un domaine de Co, tandis que pour un dépôt d'Ag puis de Co les particules présentent une configuration de type coeur-coquille (Co-Ag). Pour les dépôts simultanés, la configuration cœur-coquille est obtenue à très faible composition en Ag (< ou =20%), au-delà la configuration multidomaines monométalliques est observée. Quelle que soit la configuration initiale, le recuit conduit à une séparation de phase des métaux sous forme de particules Janus et à des réorganisations structurales. / The aim of this work is to study the role of size, composition and growth kinetic conditions on the morphology, the structure and the chemical configuration of AgCo bimetallic supported nanoparticles. Thus, in-situ and in real-time anomalous grazing incidence small and wide angle X-ray scattering measurements were performed during AgCo nanoparticles growth. Two types of growth conditions were studied : simultaneous or successive deposition of the two metals. Samples were also annealed to study the stability of the structures observed at room temperature, and to investigate if structural transitions occur due to thermal activation. For all kind of deposition modes, the nanoparticles (in a size range between 2 and 7 nm) exhibit a segregated chemical configuration. For the deposition of Co followed by Ag deposition, the nanoparticles are constituted of one (or several) Ag domain(s) juxtaposed with a Co domain, whereas for Ag deposition followed by Co deposition, the nanoparticles present a (Co-Ag) core-shell configuration. For simultaneous depositions and Ag poor compositions (< or =20%), the core-shell configuration is obtained. For richer compositions, the multidomain configuration is observed. Whatever the initial configuration, annealing leads to a phase separation of the two metals towards Janus particles and some structural reorganizations occur.