Au sein du règne animal, les insectes sociaux fascinent les humains. En particulier les fourmis, capables de s’adapter à des environnements très variés et d’utiliser le biotope à leur avantage. L’observation de pratiques que l’on a longtemps pensées exclusives à l’humain telles que l’agriculture (de champignons) ou l’élevage (de pucerons) ne rend que plus urgente l’envie de comprendre de quelle manière s’opèrent ces phénomènes. Il s’avère que les fourmis réalisent certaines tâches de manière différente des humains. Par exemple pour trouver le chemin le plus court vers de la nourriture ou le meilleur nid vers lequel migrer, la colonie peut faire son choix de manière collective, décentralisée et sans avoir besoin que les individus ne comparent les options. Mon travail a consisté à élaborer et utiliser de nouvelles méthodes pour l’étude des fourmis. Deux objectifs complémentaires ont été fixés pour le conduire : réaliser un système biohybride et essayer de contrôler le comportement des fourmis. Le premier objectif consiste à se demander ce qu’il pourrait se passer si l’on connectait une colonie de fourmis à un ordinateur. Il s’agissait dans un premier temps de donner la vue à l’ordinateur sur ce que fait la colonie de fourmis. Il fallait ensuite fournir à l’ordinateur des moyens d’action sur la colonie.Pour cela, j’ai conçu et mis à l’épreuve des outils de suivi de l’activité de la colonie, ainsi que des environnements modulaires où évoluent les fourmis. J’ai créé un dispositif de suivi et d’analyse d’image embarquée sur micro-ordinateur et grâce à l’impression 3D j’ai fabriqué des modules de différentes tailles qui peuvent être assemblés afin de former un environnement structurellement varié. Afin que l’ordinateur puisse agir sur les fourmis, j’ai choisi de lui donner la possibilité de modifier les conditions environnementales, en particulier la température. Une fois le système conçu j’ai réalisé des expériences afin de savoir ce que les changements locaux de température induisent sur le comportement des fourmis. La caractérisation du comportement face à des changements de température apporte un éclairage sur la relation des fourmis à leur environnement. Cela a ensuite permis d’explorer les questions de contrôle du comportement des fourmis par une machine. L’usage de la température ayant démontré sa capacité à moduler localement le taux de présence des fourmis, j’ai pu ensuite prouver qu’il était possible de confiner une fourmi dans une zone prédéfinie. Enfin, j’ai mis en place une boucle de contrôle où la température utilisée pour confiner la fourmi dépend de son activité en temps réel. Cette dernière expérience permet de mettre en lumière la complexité du rapport des fourmis à leur environnement et ouvre de nouvelles perspectives dans la continuité de ce travail. Cette thèse a permis d’éclaircir des thématiques nouvelles appliquées aux fourmis, qui sont celles des systèmes biohybrides et du contrôle du vivant et de mettre en évidence les directions accessibles à l’avenir. Au cours de cette recherche, de nombreux outils ont été conçus. Les prototypes fonctionnels d’environnement modulaires ont démontré la pertinence de l’utilisation d’imprimante 3D pour l’étude des fourmis. Les différents outils de suivi, d’enregistrement et de traitement des données vidéos fournissent de nouvelles possibilités expérimentales inédites et pourront être utilisés pour d’autres études, notamment au temps long. Les dispositifs de contrôle de la température ont de même été conçus par des moyens propres au prototypage rapide, ce qui les rend accessibles, modulables et reproductibles dans une démarche open source / Within the animal kingdom social insects fascinate humans. Especially ants, which are capable of adapting to various environments and taking advantage of their biotopes. Observing practices that we would have thought to be exclusive to humans – such as farming (of mushrooms) or breeding (of aphids) – spurs the will to understand by which mean ants operate. It turns out that ants achieve certain tasks in different ways than humans. For instance, to find the shortest path to a food source, or the best nest to migrate to; the colony can make a collective decision, decentralized and without the need of direct comparisons by individuals. My work has consisted of the elaboration and use of new methods to study ants. Two complementary objectives have been chosen to drive the work: implementation of a biohybrid system and assessing the means of and limits to controlling the behaviour of ants. The first objective consists of asking ourselves what will happen if we connected an ant colony with a computer For this I have designed apparatus that permit interaction between those two entities. It involved giving sight to the computer into what the colony was doing, then providing ways for the computer to act on the colony. To do so, I designed and tried out tools to monitor the activity of colonies as well as modular environments which ants can inhabit. I designed an embedded system that records and analyses activity of ant colonies on a micro-computer. I designed and 3D printed modules of various sizes that can be assembled together to form a structurally varied environment. For the computer to be able to act upon ant behaviour, I chose to endow it with the capability of modifying environmental conditions, at particular temperatures. Once the system was built, I conducted experiments to assess how local changes of temperature affect ant behaviour. This characterisation of behaviour under temperature changes sheds light on the relation of ants with their environment. This permitted the exploration of questions of control of behaviour of ants by a machine. The use of temperature having proved its capacity to modulate the local occupancy density, I then have been able to show that it was possible to confine an ant in a set location. Finally, I implemented a closed feedback loop system, in which the temperature used to confine the ant is dependent on the ant activity in real time. This last experiment shed light on the complexity of the dynamic relation between ants and their environments and opened new perspectives for future investigations. During this research, many tools were developed. Functional prototypes of moduary environments have demonstrated the relevance of using 3D printers for the study of ants. The various tools for monitoring, recording and processing video data provide new and innovative experimental possibilities and can be used for other studies, especially over long periods of time. Temperature control devices have as well been designed using rapid prototyping tools, making them accessible, scalable and reproducible in an open source approach.

Le développement d’une nouvelle génération de catalyseurs dits biohybrides est basé sur l’association d’un complexe métallique et d’une protéine. D’un côté, le complexe métallique est responsable de l’activité catalytique ; de l’autre côté, la protéine protège le complexe métallique vis-à-vis de la dégradation en milieu aqueux et fournit également un environnement chiral propice à une catalyse énantiosélective. Ces catalyseurs fonctionnant de manière sélective en milieu aqueux s’inscrivent tout à fait dans les préceptes de la chimie verte.Une nouvelle famille de protéines artificielles, nommée αRep, a été récemment décrite. Toutes les protéines de la bibliothèque αRep présentent le même repliement en solénoïde incurvé, mais diffèrent à la fois en taille (nombre de motifs répétés) et dans la nature de 5 acides aminés par motif répété. Une surface variable est ainsi générée sur la surface concave du solénoïde. Ces protéines sont extrêmement stables et modifiables. La modularité de ces protéines ouvre la voie à un panel varié d’ingénierie des protéines, notamment la conception de catalyseurs artificiels.Au sein de la bibliothèque αRep, le variant αRep-A3 est une protéine homodimérique pour laquelle les surfaces concaves de chaque monomère génèrent une crevasse. Les résidus formant cette crevasse peuvent être modifiés sans affecter la structure tridimensionnelle de la protéine. Le but de cette thèse a été d’évaluer la capacité de la protéine αRep-A3 à procurer une architecture rigide pour l’incorporation de complexes de métaux de transition. Pour cela, différents ligands de métaux de transition (phénanthroline, terpyridine, porphyrine) ont été couplés covalemment à des variants de αRep-A3 à différentes positions. Des résultats encourageants concernant la réaction de Diels-Alder entre azachalcone et cyclopentadiène suggèrent que ce type d’architecture pourrait fournir une base intéressante pour la création de nouvelles classes de métalloenzymes entièrement artificielles. Des pistes pour l’amélioration des catalyseurs basés sur les αRep par des méthodes d’évolution dirigée sont alors avancées sur la base de ces résultats. / The development of a new generation of so-called biohybrid catalysts is based on the association of a metal complex and a protein. On the one hand, the metal complex is responsible for the catalytic activity; On the other hand, the protein protects the metal complex from degradation in aqueous medium and also provides a chiral environment conducive to enantioselective catalysis. These catalysts, which function selectively in an aqueous medium, fit perfectly into the precepts of green chemistry.A new family of artificial proteins, called αRep, has recently been described. All proteins in the αRep library exhibit the same curved solenoid folding, but differ in size (number of repeating units) and in the nature of 5 amino acids per repeat unit. A variable surface is thus generated on the concave surface of the solenoid. These proteins are extremely stable and modifiable. The modularity of these proteins paves the way for a varied panel of protein engineering, including the design of artificial catalysts.Within the αRep library, the variant αRep-A3 is a homodimeric protein for which the concave surfaces of each monomer generate a crevice. The residues forming this crevice can be modified without affecting the three-dimensional structure of the protein. The aim of this thesis has been to evaluate the ability of the αRep-A3 protein to provide a rigid scaffold for the incorporation of transition metal complexes. To this end, various transition metal ligands (phenanthroline, terpyridine, porphyrin) have been covalently coupled to variants of αRep-A3 at different positions. Encouraging results regarding the Diels-Alder reaction between azachalcone and cyclopentadiene suggest that this type of scaffold could provide an interesting basis for the creation of new classes of fully artificial metalloenzymes. From these results, lines of improvement for αRep-based catalysts by means of directed evolution are then advanced.

Es ist schon seit längerer Zeit bekannt, dass nach Kontakt des Biomaterials mit der biologischen Umgebung bei Implantation oder extrakorporaler Wechselwirkung zunächst Proteine aus dem umgebenden Milieu adsorbiert werden, wobei die Oberflächeneigenschaften des Materials die Zusammensetzung der Proteinschicht und die Konformation der darin enthaltenden Proteine determinieren. Die nachfolgende Wechselwirkung von Zellen mit dem Material wird deshalb i.d.R. von der Adsorbatschicht vermittelt. Der Einfluss der Oberflächen auf die Zusammensetzung und Konformation der Proteine und die nachfolgende Wechselwirkung mit Zellen ist von besonderem Interesse, da einerseits eine Aussage über die Anwendbarkeit ermöglicht wird, andererseits Erkenntnisse über diese Zusammenhänge für die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Biokompatibilität genutzt werden können. In der vorliegenden Habilitationsschrift wurde deshalb der Einfluss der Zusammensetzung von Polymeren bzw. von deren Oberflächeneigenschaften auf die Adsorption von Proteinen, den Aktivitätszustand der plasmatischen Gerinnung und die Adhäsion von Zellen untersucht. Dabei wurden auch Möglichkeiten zur Beeinflussung dieser Vorgänge über eine Veränderung der Volumenzusammensetzung oder durch Oberflächenmodifikationen von Biomaterialien vorgestellt. Erkenntnisse aus diesen Arbeiten konnten für die Entwicklung von Membranen für Biohybrid-Organe genutzt werden. / The implantation of biomaterials or the contact of blood with extracorporal devices leads to the rapid adsorption of proteins from the surrounding biological fluids. The surface properties of materials determine the composition of the adsorption layer and the conformation of adsorbed proteins. Hence, the subsequent interaction of cells with biomaterials is dependent on the adsorption layer of proteins. The detailed knowledge on the role of surface properties in protein adsorption and cellular interactions is a useful means to learn about the biomedical applicability of materials and to develop novel materials with improved biocompatibility. The thesis describes the influence of polymer composition and surface properties on protein adsorption, the activation of blood clotting and adhesion of cells. The thesis presents options to modify the reactions of the biological system by the modification of bulk or surface composition of polymers. Results of these studies have been used to develop polymer membranes for biohybrid organs.

In dieser Arbeit werden Strategien zur Entwicklung von biohybriden Photoelektroden, die Licht in elektrische Energie umwandeln, demonstriert und diskutiert. Der natürliche Photonen-transformierende Superkomplex der oxygenen Photosynthese aus Thermosynechococcus elongatus, das Photosystem I (PSI), kann durch die nicht-native Interaktion zum Redoxprotein Cytochrom c (Cyt c), erfolgreich funktional in Elektroden integriert werden. Hierfür wurden unterschiedliche Strategien entwickelt, z. B. bilden beide Biokomponenten unspezifische Komplexe in Lösung und assemblieren gemeinsam auf modifizierten Goldoberflächen. Aus der Kontaktierung des PSI mit einer thiol-modifizierten Goldelektrode via Cyt c ergeben sich unidirektionale kathodische Photoströme. DNA, als ein Polyelektrolytmatrixelement, kann zum Aufbau von 3D-Protein-Mehrschichtarchitekturen höherer Stabilität und Leistungsfähigkeit verwendet werden. Der Einsatz von mesoporösen Indium-Zinnoxid-Elektroden vergrößert die Photostromgenerierung um mehr als eine Größenordnung, wodurch sich hieraus skalierbare transparente Photobioelektroden mit hohen Quanteneffizienzen (bis zu 30%) erzeugen lassen. / In this thesis, strategies are demonstrated and discussed for the development of biohybrid photoelectrodes transforming light into electrical energy. The natural photon-to-charge carrier converting super-complex from oxygenic photosynthesis of Thermosynechococcus elongatus, photosystem I (PSI), can be functionally implemented into such electrodes, due to the non-native interaction with the small redox protein cytochrome c (cyt c). Different strategies have been developed, e. g. both biocomponents form complexes in solution and self-assemble on modified gold-surfaces. The electrical connection of PSI to thiol-modified gold electrodes via cyt c results in unidirectional cathodic photocurrents of high efficiency. DNA, as a polyelectrolyte matrix element, can be used to build up 3D protein multilayer architectures of higher stability and performance. The use of mesoporous indium tin oxide electrodes further enhances the photocurrent generation more than one order of magnitude, thus resulting in scalable transparent photobioelectrodes of high quantum efficiencies (up to 30 %).

Ce travail de thèse a visé la préparation de matériaux biohybrides à base de poly (liquide ionique)s (PIL) et de polysaccharide, en l’occurrence la gomme de guar. Les chaînes de poly (1- [2-acryloyl éthyl] -3 bromure-méthylimidazolium (poly (AEMIBr)) ont été synthétisées par polymérisation contrôlée de type RAFT. Des homopolymères de DP élevé (jusqu'à 300) et de faible dispersité (inférieur à 1,19) ont été obtenus seulement en quelques heures dans l'eau. Ces PIL ont par ailleurs été utilisés comme macroagents de transfert pour générer différents copolymères à blocs en milieu homogène et en émulsion dans le but d’accéder à des nano objets autoassemblés. En effet, différentes morphologies ont été obtenues en s’appuyant sur lesconcepts de la PISA. De plus, des copolymères greffés de type guar-g-PIL ont finalement été construits en milieu liquide ionique.en utilisant des dérivés de guar macroagents de transfert Les PIL combinent à la fois les propriétés des IL (non-volatile, stabilité thermique et chimique, haute conductivité...) et celles des polymères en termes de renforcement mécanique, c’est pourquoi ils ont été exploités pour élaborer des matériaux biohybrides de haute performance. La stratégie envisagée dans ce travail réside sur l’exploitation de trois composants: (i) les chaînes de poly (AEMIBr), (ii) le guar et (iii) un liquide ionique: le chlorure de butylméthylimidazolium (BMIMCl). La voie expérimentale permettant l’obtention de tels matériaux est très simple et non dégradante puisqu’elle n’implique que des étapes de solubilisation de polymères en milieu IL. Les propriétés rhéologiques et thermiques de ces matériaux ont été évaluées. En outre, la morphologie interne, par des mesures de WAXS et SAXS, ainsi que le transport ionique ont été étudiés. Il en ressort que de multiples interactions synergiques sont formées entre le guar et les chaînes de PIL, en parallèle des interactions de type PIL/IL et guar/IL. Des ionogels possédant un haut module élastique (jusqu'à 30 000 Pa) et une stabilité thermique élevée (jusqu'à 310 °C) ont ainsi été obtenus. En particulier, la présence de PIL a permis d’améliorer de façon considérable la stabilité dimensionnelle des gels, en limitant complétement les phénomènes d’exudation rencontrés dans les systèmes binaires guar/IL. Il s’avère, de plus, que ces matériaux sont parfaitement homogènes à l’échelle d’observation des analyses SAXS et WAXS. Ces gels ioniques présentent d'excellentes propriétés de transport ionique (10-4 S/cm à 30 °C) grâce notamment à leur structuration interne continue. Cette famille des matériaux multicomposants à base de guar, présente un fort potentiel, notamment pour une utilisation en tant que gel électrolyte dans le domaine de l’énergie. / This Ph.D work focuses on the preparation of biohybrid materials based on poly(ionic liquid)s (PIL) and a polysaccharide, guar gum. Poly(1-[2-acryloylethyl]-3-methylimidazolium bromide (poly(AEMIBr)) chains were synthesized through RAFT polymerization. Homopolymers with DP up to 300 and dispersity below 1.19 were obtained within hours in water. High chain-end fidelity further allowed for PIL chain extension with various monomers and stable PIL-based nanoparticles with various morphologies using the PISA concept were achieved. A series of guar-g-PIL graft copolymers were finally constructed in IL using guar macroRAFT agents. As PILs combine the attributes emanating from IL molecules (non-volatile, thermally stable, conducting…) with the ones of polymers in terms of mechanical reinforcement, the resulting polymers were exploited to elaborate high performance biohybrid materials. The cornerstone of this subsequent work was based on the straightforward formation of three-component blends: (i) poly(AEMIBr), (ii) guar and (ii) ionic liquid: butylmethylimidazolium chloride (BMIMCl). The pathway to obtain such ternary blends is very simple, since it only implies successive polymer solubilisation steps in IL. The rheological and thermal properties of the resulting materials were investigated. Also, the internal morphology by WAXS and SAXS measurements as well as the ionic transport were studied. It appeared that strong synergistic hydrogen bonding are developed between guar and PIL chains in addition to PIL/IL and guar/IL interactions. Ionogels with high elastic modulus (up to 30 000 Pa) and high thermal stability (up to 310°C) were prepared. Importantly, addition of PIL significantly enhanced the dimensional stability of the resulting ionogels and overcame IL exudation encountered in IL/guar binary systems. SAXS and WAXS revealed a homogeneous morphology and the ionogels were proven to exhibit excellent conductive properties (10-4 S/cm at 30°C) thanks to their highly continuous morphology. The resulting sustainable multicomponent materials may find applications as gel electrolyte for biobattery systems or supercapacitors.