Ce travail est consacré à l’élaboration et à la caractérisation d’un nouveau matériau hybride présentant des propriétés de transfert d’énergie, à base de la protéine photochromique bactériorhodopsine (bR) acceptrice d’énergie et de boites quantiques (QDs) de CdSe/ZnS fluorescentes donneuses d’énergie. Le but est d’essayer d’améliorer et d’utiliser les propriétés photochromiques et photochimiques de la bR en utilisant un transfert d’énergie par résonancede Förster (FRET) qui peut exister avec des QDs semiconductrices. Ce nouveau matériau hybride pourrait servir dans divers domaines, tels que des commutateurs optiques ou lescellules photovoltaïques.Les propriétés physiques d’un tel composé et son efficacité dépendant fortement de sa structure, ce travail à consister à élaborer le complexe bR/QD et à le caractériser par microscopie à force atomique (AFM) et par spectrométries optiques (fluorescence,absorption) afin de mettre en évidence un éventuel effet FRET entre bR/QDs. Nous avons montré qu’en modifiant la charge de surface des QDs nous pouvions optimiser l’efficacité duFRET. Cet effet provient d’une modification des forces électrostatiques entraînant un arrangement des QDs différent à la surface des membranes en fonction de leur charge de surface. En renforçant la liaison bR/QD à l’aide de biotine et de streptavidine, nous avons atteint une efficacité maximale de FRET de 80 %.Lors de nombreuses expériences que nous avons menées, nous avons montré parAFM et dichroïsme circulaire que la présence de QDs accélère fortement le processus de monomérisation de la bR par du détergent ce qui pourrait avoir des applications en biologie. / In this work, we built and characterized a new hybrid material with energy transfer properties made from photochromic protein Bacteriorhodopsin (bR) which is the energy acceptor and CdSe/ZnS fluorescent quantum dots (QDs) which are the energy donor. Our aim was to improve the photochromic and photo-physical bR properties by using a Förster resonance energy transfer (FRET) which should exist in presence of semiconductor QDs. This new hybrid material should have applications in many fields such as optical switching or photovoltaics.Since optical properties and efficiency of such a material are highly dependent of its structure, our work was to develop and characterize bR/QD complex by atomic force microscopy (AFM) and optical spectrometries (fluorescence, absorption) in order to demonstrate FRET between bR and QDs. By tuning QDs surface charges, we proved that we were able to optimize FRET, by optimization of the electrostatic interactions between bR and QDs. This effect was due to a better organization of QDs on the membrane surface when interactions were optimized. We also showed that when QD and bR are linked by biotin streptavidin link they revealed the maximum FRET efficiency of 80 %.During all these experiments, we showed that QDs could induce a quicker detergent monomerization of bR. This is supported by AFM images and circular dichroïsm measurements. This effect should find applications in biology.

La rhéologie et la photonique de divers systèmes biologiques complexes allant des protéines jusqu'aux bactéries et cellules ont été étudiées dans cette thèse. Ces travaux se basent sur deux grands thèmes, où le premier traite la modification des surfaces solides avec des molécules biologiques tandis que le second se concentre sur l'étude des effets des différentes drogues sur des cellules malignes, et non malignes par des techniques microscopiques complémentaires. Dans ce travail, des matrices orientées de films de polyélectrolytes/membrane pourpre ont été produites et étudiées en fonction de différentes conditions physico-chimiques. Des peptides spécifiques présentant de propriétés de reconnaissance de surface pour le ZnSe et le Si ont été isolées par la technologie de Phage Display. Le peptide de Si a été utilisé dans la détection des molécules avec une microcavité de silicium poreux, et ceci a montré un meilleur seuil de détection comparé à celui des autres méthodes classiques de fonctionnalisation. Le peptide spécifique de ZnSe a été utilisé afin de démontrer son utilité pour la préservation de l'activité et structure secondaire native des biomolécules adsorbées. Concernant les cellules, une différence de réponse, entre deux types de cellules épithéliales mammaires malignes MCF-7 et non-malignes HMEC184A1, sous traitement avec la curcumine, a été démontrée sur les cellules vivantes et fixées. Après, une évaluation des forces d'interaction entre un agent clinique anticancéreux cetuximab (CET) et EGFR (Epidermal Growth Factor Receptor) sur la surface des cellules de carcinome épithéliales A431 a été réalisé via la microscopie à force atomique en mode force. Une différence sur l'élasticité des cellules et sur les forces de liaison EGFR-CET a été notée quand le CET a été combiné avec d'autres drogues thérapeutiques. Les résultats de nos études d'imagerie fonctionnelle pourraient ouvrir de nouvelles voies dans la recherche de traitements contre le cancer. / The rheology and photonics of various complex biological systems ranging from proteins to bacteria and cells have been studied in this thesis. The work is organized around two major themes where the first one deals with surface modifications for adsorption of biological molecules while the second one focuses on comparative studies of non-malignant and cancerous cells under the effect of various drugs, using complementary microscopic techniques. In this work, oriented polyelectrolyte/purple membrane matrices have been produced and studied under different physico-chemical conditions. Peptides with surface recognition properties for the ZnSe and Si semiconductors have been isolated by Phage Display technology. The Si specific peptide has been used in detection of molecules with a porous silicon microcavity, providing a considerably enhanced detection resolution compared to traditional functionalization methods. The specific peptide of ZnSe has been used to demonstrate its utility in preservation of activity and native secondary structure of biomolecules in their adsorbed form. In the second part of my work concerning the cells, a different response (in morphology and elasticity) under treatment with curcumin, for two types of malignant MCF-7 and non-malignant HMEC184A1 mammary epithelial cells was demonstrated on living and fixed cells. Then, an evaluation of binding interactions between a clinical anticancer agent Cetuximab (CET) and the Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) on the surface of epithelial carcinoma A431 cells was performed via force mode atomic force microscopy. A difference was noted on the elasticity of cells and also on the EGFR-CET binding forces when CET was combined with other therapeutic drugs. The results of our functional imaging studies might open new avenues in the research for treatments against cancer.

Les bicouches lipidiques sont souvent utilisées comme modèle simplifié des membranes biologiques. Leurs propriétés à l'équilibre sont actuellement bien comprises. Cependant, pour se rapprocher d'une modélisation réaliste des membranes cellulaires, il faut prendre en compte les aspects hors-équilibre de ce type de membrane. L'objectif du travail de recherche, que nous présentons dans ce manuscrit, s'inscrit dans cette direction. Nous avons utilisé, comme membranes modèles actives, des bicouches lipidiques, se présentant sous la forme de vésicules géantes (GUV), contenant la bactériorhodopsine. Cette protéine est une pompe à protons activée par la lumière. Pour caractériser l'effet de l'activité protéique sur les propriétés physiques de ces membranes, nous avons mesuré leurs spectres de fluctuations. Nous avons d'abord visualisé les vésicules géantes par microscopie à contraste de phase. Nous avons ensuite utilisé une méthode de détection et d'analyse des contours des vésicules pour mesurer leurs spectres de fluctuations. En conduisant une étude comparative entre les spectres acquis en activant la protéine, et ceux acquis dans des conditions d'équilibre, nous avons découvert que la présence de l'azide de sodium est nécessaire à l'émergence d'effets actifs mesurables par nos techniques expérimentales. Nous avons aussi montré qu'en présence d'1 mM d'azide de sodium, l'amplitude des fluctuations est amplifiée de manière active. Cette amplification est particulièrement marquée aux petits vecteurs d'onde. La comparaison de ces résultats aux prédictions théoriques montre que l'activité de la bactériorhodopsine induit une baisse de la tension membranaire.

Nous avons développé une nouvelle technique de reconnaissance de contours de vésicules lipidiques géantes en microscopie à contraste de phase permettant une analyse en temps réel avec une très bonne précision. Nous obtenons ainsi le spectre de fluctuation d'une vésicule et nous avons développé le formalisme nécessaire à une comparaison avec les théories développées sur des membranes planes. Nous avons appliqué notre technique à l'analyse de vésicules purement lipidiques et nous mesuré le spectre de fluctuations. Les modules de courbure déduits correspondent aux valeurs de la littérature. Cette technique nous a aussi permis d'étudier deux types de membranes hors équilibre : d'une part des liposomes contenant de la bactériorhodopsine où nos résultats ne s'interprètent pas avec la théorie actuelle des membranes actives ; notre technique a été aussi appliquée à des membranes en présence d'apport de lipides, et nous avons pu mettre en évidence l'apparition d'une tension négative.