Seawater and wastewater all around the world contain toxins and pollutants, not the least drug residues, including hormoneswhich disturb the ecosystems and antibiotics with growing multi-drug resistance of bacteria as a result. The effects onecosystems and mankind can be severe and with this general fact the need for proper analysis devices increases. This haspromoted further studies to establish devices for detection of analytes with high selectivity and high sensitivity. In this thesis Ipresent a unique device exploiting capture of antigen on antibody conjugated actin filaments and subsequent transportationof the antigen in Baltic Sea water using heavy meromyosin (HMM) motor fragments from muscle myosin. The model-antibody,anti-rIgG, used in the study, was covalently attached to the actin filaments, capturing a model-analyte, rIgG that was dissolvedin the Sea water. Furthermore, the effect of Baltic Sea water on HMM propelled actin filament transportation in the in vitromotility assay was studied. An effect was observed with Baltic Sea water, supplemented with standard adenosine 5’-triphosphate (ATP) and oxygen scavenger systems, reducing the sliding velocity by approximately 80%. However the effect wasreversible which is of great advantage in relation to the development of a future biosensor device incorporating actomyosindriven transports. Additionally, evidence was found that the substance A slightly enhanced the function of the proteins whenstored on a motility assay surface at 4-8 °C for up to ten days, of value for practical applications of a potential biosensordevice. The results demonstrate the potential that antigen from sea water could be captured and transported by actomyosinto certain detector areas and eventually become concentrated which would increase the sensitivity of the device.

Le succès de la réponse immunitaire repose en grande partie sur la capacité des leucocytes à se déplacer et à accomplir leur fonction au sein de structures anatomiques précises. Le fait qu’il puisse exister des mécanismes intrinsèques de coordination entre ces fonctions spécifiques et la migration de ces cellules n’a jamais été étudié auparavant. Nos travaux mettent en évidence, pour la première fois, l’existence d’un couplage entre la migration et la macropinocytose dans les cellules dendritiques qui explorent leur environnement en internalisant une grande quantité de matériel extra-cellulaire. C’est la Chaîne Invariante, protéine chaperon impliquée dans l’apprêtement des antigènes, qui est responsable de ce couplage en détournant le moteur Myosine II de l’arrière de la cellule, où elle promeut la migration, vers l’avant de la cellule. Ce recrutement transitoire de Myosin II autour des macropinosomes à l’avant favorise la macropinocytose et la délivrance de l’antigène dans les lysosomes, mais ralentit la cellule. L’implication de la Myosine II à la fois dans la migration et la capture d’antigène permet donc le couplage moléculaire entre ces deux processus et leur coordination spatio-temporelle. Cependant, les voies de signalisation impliquées dans le couplage avant/arrière dans les cellules dendritiques immatures restent encore méconnues. L’ensemble de mes travaux de thèse montrent que la libération de calcium du réticulum endoplasmique à travers les récepteurs IP3 (IP3Rs) est nécessaire pour maintenir le niveau de phosphorylation de la chaîne légère de Myosin (MLC) et la polarisation avant/arrière de Myosine II au cours de la migration des cellules dendritiques immatures. Nous montrons que les récepteurs IP3R1, 2 et 3 sont requis pour atteindre une vitesse maximale en 2- et 3-Dimension, et que le récepteur IP3R3, et dans une moindre mesure IP3R1, favorisent la persistance des cellules. En revanche, l’inhibition de l’expression du récepteur IP3R3 augmente la capacité des cellules dendritiques immatures à capturer l’antigène, ce qui est en accord avec notre résultat montrant que la capture de l'antigène est inversement reliée à la locomotion de cellules dendritiques. Nous proposons que le relargage du calcium par le réticulum endoplasmique favorise l’activité de la myosine II ce qui permet aux cellules dendritiques de ralentir de façon transitoire. Ce relargage calcique permet aux cellules dendritiques du optimiser l'internalisation des antigènes extracellulaires en maintenant leur polarité ce qui leur permet d’optimiser ainsi leur capacité d'échantillonnage de l’environnement. / The immune response heavily relies on the migration capacity of leukocytes. These cells must stop in precise anatomical locations to fulfill a particular task. But whether and how specific functions are coordinated with migration by cell-intrinsic mechanisms is not known. We here show that in dendritic cells, which patrol their environment for the presence of antigens by internalizing extracellular material, macropinocytosis is coupled to cell migration. Coupling relies on the diversion of the Myosin II motor from its migratory function at the cell rear to macropinosomes at the cell front by the Invariant Chain, a cell-specific regulator of antigen presentation. Transient Myosin II recruitment at the cell front promotes antigen macropinocytosis and antigen delivery to endolysosomes but antagonizes cell migration. Thus, the requirement for Myosin II for both migration and antigen capture provides a molecular mechanism to couple these two processes and allow their coordination in time and space. However, the signaling pathways involved in back/front coupling in migrating immature DCs remain unknown. Here we show that calcium released from the endoplasmic reticulum through IP3 Receptors (IP3Rs) is required to maintain Myosin regulatory light Chain (MLC) phosphorylation and Myosin II back/front polarization during DC locomotion. We found that while IP3R1, 2 and 3 are required for immature DCs to reach maximal speed in 2-Dimensional and 3-Dimensional environments, IP3R3 and to a lesser extent IP3R1 positively regulate their persistency. On the contrary, silencing of IP3R3 increases antigen uptake by immature DCs, consistent with our finding showing that antigen capture is inversely coupled to DC locomotion (Appendix, manuscript #1). We propose that by promoting myosin II activity, calcium released from the ER help DCs to transiently slow-down to uptake extracellular antigens without losing their polarity and thereby optimizes their environment sampling capacity.

Les cellules dendritiques (DCs) patrouillent les tissus périphériques à la recherche de dangers potentiels en se déplaçant à travers les tissus et en incorporant de grande quantité de matériel extracellulaire. Cet événement précoce de la réponse immunitaire adaptative est susceptible de déterminer l'amplitude et la qualité de l'activation des lymphocytes T et B. De ce fait, les DCs pourraient avoir besoin d'orchestrer leur motilité et leur fonction de capture des antigènes afin d'initier un réponse immunitaire efficace et adaptée. Afin d'étudier les mécanismes responsables de l'optimisation de l'échantillonnage des tissus par les DCs, nous avons suivi leur migration et leur capacité à capturer des antigènes dans des chambres micro-fluidiques contenant des canaux étroits qui permettent de reproduire l'espace confiné des tissus périphériques. De manière surprenante, nous avons découvert que la migration des DCs et leur aptitude à accumuler des antigènes sont des fonctions antagonistes et dépendent de l'activité du moteur moléculaire Myosine II. Nous avons observé que les DCs se déplacent en alternant des phases rapides au cours desquelles la Myosine II est distribuée de manière asymétrique à l'arrière des cellules, et des phases plus lentes pendant lesquelles la Myosine II est enrichie à l'avant. Les enrichissements transitoires de Myosine II à l'avant des DCs dépendent de l'association de la Myosine II avec la chaîne invariante associée au CMH-II (Ii). Ces évenements favorisent l'absorption d'antigènes et leur transport dans les compartiments endolysosomaux. Des expériences menées avec une pince optique nous ont permis de montrer que l'activité de la Myosine II à l'avant des cellules génère des forces mécaniques qui induisent le transport des vésicules vers l'intérieur de la cellule, probablement en modulant le flux rétrograde d'actine. Ainsi, au cours de cette thèse, nous avons montré que la Myosine II était nécessaire à la fois pour la migration cellulaire et la capture d'antigènes, établissant un mécanisme moléculaire qui permet de coordonner ces deux processus dans le temps et l'espace. Nous proposons que l'alternance de phases de haute mobilité et de phases d'arrêt associées à la capture d'antigènes confère aux DCs une stratégie de recherche intermittente qui leur permettrait d'optimiser la surveillance des tissus périphériques. / Dendritic cells (DCs) patrol peripheral tissues in search for potential dangers by actively crawling and internalizing extracellular materiel. This initial event of an adaptive immune response is likely to determine the magnitude and quality of T cell and B cell immunity. Therefore, DCs might need to tightly orchestrate their migration and their antigen uptake function in order to mount an efficient and adapted immune response. To investigate the mechanisms responsible for the optimization of tissues sampling by DCs, we monitored their migration and their ability to capture antigens in micro-fluidic chambers containing narrow channels that mimic the confined space of peripheral tissues. Surprisingly, we found that cell migration and antigen accumulation in endolysosomes are antagonistic, both relying on the activity of the motor protein Myosin II. We observed that DCs alternate between phases of fast motility during which Myosin II is asymmetrically distributed at the cell rear, and phases of slow motility during which Myosin is enriched at the cell front. Transient Myosin II enrichments at the leading edge depends on its association with the MHC-II associated Invariant Chain (Ii). These events promote antigen uptake and arrival in endolysosomal compartments. Using optical tweezers, we further showed that Myosin II activity at the leading edge generates mechanical forces that drive vesicles transport toward the cell body probably through the modulation of F-actin retrograde flow. Thus, during my PhD, we have shown that Myosin II is required for both migration and antigen capture, providing a molecular mechanism to couple these two processes and allow their coordination in time and space. We propose that alternation between phases of fast motility and phases of low motility associated with efficient antigen capture imposes an intermittent search behavior on DCs, which might be optimal for environment patrolling.