Cette thèse présente une étude de films monomoléculaires d'acides gras à l'interface eau-air, principalement par microscopie à l'angle de Brewster. Cette technique permet l'observation directe des coexistences de phases lors de transitions de phases du premier ordre; de plus elle est sensible à l'anisotropie optique des films. La première partie contient une étude du diagramme de phase des acides gras, qui comporte des mésophases analogues aux phases de cristaux liquides smectiques. Nous avons montré que lors des transitions de phases entre phases denses, la texture (l'arrangement moléculaire)des phases est réversible et nous avons obtenu des informations sur l'ordre des transitions. Nous avons aussi mis en évidence, dans deux phases constituées de molécules verticales, une très faible anisotropie optique due à la forme rectangulaire du réseau moléculaire. Nous avons ensuite étudié une film d'acide myristique adsorbé à la surface d'une solution aqueuse d'acide myristique. Nous avons observé des domaines d'une mésophase "inclinée" contenant des lignes de défauts d'orientationmoléculaire présentant des fluctuations thermiques. La mesure de leur amplitude a permis de déterminer la tension de ces lignes. Nous nous sommes aussi intéressés aux constantes élastiques qui gouvernent la forme et la texture à l'équilibre des domaines de mésophase. Nous avons d'une part déterminé la tension de ligne de l'interface entre une phase liquide et une mésophase "inclinée" en étudiant la forme des domaines. Celle-ci résulte de l'équilibre entre la tension de ligne, qui favorise des domaines circulaires, et les interactions répulsives à longue portée entre dipoles moléculaires, qui forment les domaines. Des mesures de potentiel de surface ont permis de calculer l'intensité des forces dipolaires. d'autre part, la texture d'autre domaines de cette mésophaseinclinée nous a renseigné sur la valeur du rapport entre l'élasticité de courbure de la direction moléculaire et l'anisotropie de la tension de ligne.

La microscopie à l'angle de Brewster est une nouvelle et tres puissante technique d'étude des films monomoléculaires à la surface de l'eau. Son principe est basé sur les propriétés de réflectivité des interfaces. Elle est sensible à l'épaisseur, la densité et l'anisotropie optique des films. Cette technique a été appliquée à l'étude de couches adsorbées à la surface de solutions aqueuses d'acides gras (acides palmitiques et myristiques). Ces couches traversent pendant leur formation des transitions de phases. Le nombre, la nature et la morphologie de ces phases dépendent de nombreux paramètres dont le pH. Nous avons entre autres observé des phases optiquement anisotropes, contituées de molécules inclinées par rapport à la normale à la solution.Ces phases sont sans doute des mésophases "verrouillées", c'est à dire que la direction des molécules est fixée par rapport aux directions intermoléculaires. Elles présentent différents types de défauts d'orientation, dont des structures en étoile. L'existence de telles structures est expliquée par application d'un modèle d'élasticité continue développé pour l'étude des films minces de cristaux liquides smectiques. Des structures en zig-zag, en spirales et en bandes de largeur déterminée ont également été observées. Nous avons également étudié les couches d'un polymère (le PDMS) à la surface de l'eau. Nous y avons observé la séparation latérale en domaines de densités de surface différentes, à la fois dans le régime monocouche et le régime multicouches.

The overall objective of this PhD thesis research is to understand and control phase separation in mixed perfluorinated fatty acid-phospholipid surfactant systems that have applications as pulmonary surfactant (PS) mixtures, with an ultimate view of controlling film composition, morphology and mechanical properties. In this context the interaction between perfluorooctadecanoic acid (C18F), 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC), the major component of native PS extract, and 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoglycerol (DPPG) has been explored in Langmuir monolayers and Langmuir–Blodgett (LB) films using a combination of atomic force microscopy (AFM), fluorescence microscopy (FM) and Brewster angle microscopy (BAM) measurements. Thermodynamic and morphological studies of binary and ternary mixed films made of C18F, DPPC and DPPG indicated that both the phospholipids and C18F were miscible over a wide range of compositions. The mixed phospholipid-C18F films contained multimolecular aggregates that were highly enriched in the phospholipids. Furthermore, it was found that the magnitude of the DPPC-C18F interaction could be modulated by altering the concentration of sodium ions in the underlying subphase. Using a highly simplified lung mimic fluid (pH 7.4, 150mM NaCl), DPPC and C18F became fully immiscible. Moreover, the performance characteristics of the mixed films demonstrated the usefulness of C18F as an additive for PS formulations. The effectiveness of a PS protein mimicking peptide was evaluated against DPPC to allow comparison with previous measurements of DPPC-C18F mixed system. The mixing thermodynamics of the peptide and DPPC in Langmuir monolayer implied a repulsive interaction between the film components. The hysteresis response of the mixed monolayer films indicated that the lipid-protein mixture improved the re-spreading of DPPC films. Moreover, molecular-level organization of the mixed films explored by both FM and BAM confirmed the formation of liquid-expanded DPPC domains in the presence of minute amount of the peptide. In order to obtain a thorough understanding of the effect of the deposition process and surfactant tail polarities on the interfacial behavior of perfluorocarbon-hydrocarbon mixed monolayer films, both BAM and AFM measurements of arachidic acid (C20) with perfluorotetradecanoic acid (C14F) and palmitic acid (C16) with C18F mixed monolayer were performed. These measurements revealed that film morphology was minimally perturbed upon its deposition onto solid substrates. Coarse grained molecular dynamics (MD) simulations of films comprised of DPPC molecules with tails of various polarities suggested that the phase separation between the monolayer components could be controlled by varying surfactant tail polarities.

Charles University, Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Pharmaceutical Technology Author: Karolína Růžičková Supervisor: PharmDr. Barbora Švecová, Ph.D. Consultant: Mgr. Anna Nováčková Title of thesis: Evaluation of preparation of monolayer lipid skin barrier models Skin, the protective barrier of human body, consists of several layers. The uppermost one is the stratum corneum, part of epidermis, whose extracellular matrix is composed mainly of ceramides, cholesterol and free fatty acids. The composition and arrangement of skin lipids are essential for the proper skin barrier function. Various multilayer and monolayer models are used to study skin lipids at the molecular level. Some of the evaluation methods are Langmuir monolayers at the air interface. In this work I dealt with the behavior of monolayer lipid models at four different pH values of the liquid subphase. Lipids isolated from human skin, lipid mixture prepared from the individual components, and a mixture of fatty acids were compared as well. Langmuir isotherms and the Brewster angle microscopy at different compression rates were used for this purpose. The results showed that pH of the subphase has no major effect on lipids arrangement. Lipids were most likely to form a tight monolayer at neutral pH 7,0, at a...

Les protéines membranaires sont particulièrement riches en acides aminés aromatiques, tels que le tryptophane (W). On retrouve cette originalité dans beaucoup de peptides antimicrobiens et dans les protéines de fusion virales. La glycoprotéine de l'enveloppe de HIV-1, gp41, en est un exemple. Manifestement, les résidus W sont impliqués dans la perturbation des membranes et la formation des pores. L'objectif de ce travail est d'étudier le rôle des résidus W dans de telles activités en utilisant l'optique non linéaire. Pour cela, nous avons préalablement déterminé l'hyperpolarisabilité (le potentiel non linéaire) du W par la diffusion Hyper Raleigh (HRS). Puis nous avons montré une évolution de la réponse non linéaire de petits peptides synthétiques en fonction du nombre croissant de leurs résidus W. Ces résultats ont permis de suivre l'implication des tryptophanes de deux peptides K3W et gp41W, lors de leurs interactions avec des monocouches lipidiques à l'interface air-eau par la génération de second harmonique (SHG). D'autre part, l'influence de telles interactions sur la structure secondaire et l'orientation des peptides a été déterminée par le PM-IRRAS. Nous avons ainsi montré la cohérence entre les modifications du signal SHG, liées à des changements d'orientation des tryptophanes et celles des spectres de PM-IRRAS, dues à des changements d'orientation de la structure secondaire de gp41W / Membrane proteins are extremely rich in aromatic amino acids, like tryptophan (W). This particularity is found in many antimicrobial peptides and in several virus fusion proteins. An example of these fusion proteins is the HIV-1 envelop glycoprotein, the gp41. It is clear that the W residues are implicated in membrane perturbation and pore formation. The aim of this work was the investigation of the W residue role in such activities, using the nonlinear optic. First, we determined the W hyperpolarizabilité (nonlinear potential) by the Hyper Rayleigh Scattering (HRS). Then, the evolution of the nonlinear signal of small synthetic peptides, as function of the increasing number of their W residues, was demonstrated. These results allowed us to follow the W residue involvement of two peptides, K3W4 and gp41W, in the interaction with lipids monolayer at the air-water interface, using the second harmonic generation (SHG). The influence of such interaction in the peptide structure and orientation was determined using the PM-IRRAS. In conclusion, we showed the coherence between the SHG signal variation, due to the W orientation changes, and the PMIRRAS spectra modification, due to the gp41W helix orientation changes

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Deux membres des Visinin-Like Proteins (VILIPs), VILIP-1 et VILIP-3, ont été étudiés à l'aide de deux modèles membranaires biomimétiques, les monocouches de Langmuir couplées à la microscopie à l'angle de Brewster (BAM) et les bicouches lipidiques supportées (SLB) visualisées par microscopie à force atomique (AFM). A l'aide de ces deux modèles, nous avons pu montrer que les VILIPs, protéines N-myristoylées et possédant quatre mains-EF, ont une cinétique d'interaction membranaire qui augmente en présence de calcium, probablement dû à la présence d'un mécanisme type « switch calcium-myristoyle ». En revanche, l'utilisation de protéines mutées, non myristoylées, a révélé que la présence du groupement myristoyle n'est pas le seul facteur nécessaire pour que ces protéines interagissent avec la membrane. La présence d'une région N-terminale riche en résidus lysine permettrait à cette famille de protéines d'interagir via des interactions électrostatiques avec des membranes possédant des lipides anioniques et plus particulièrement du phosphatidylinositol-4,5-biphosphate (PIP2). La présence d'un faible pourcentage de ce phosphoinositide dans la membrane est responsable de l'accélération de la vitesse d'interaction membranaire des VILIPs, ce qui est cohérent avec leur location subcellulaire in cellulo. Enfin, un nouveau modèle membranaire de bicouches lipidiques suspendues sur des pilotis peptidiques (pep-tBLM) greffés sur une surface d'or a été ensuite développé. La méthode présentée dans ce manuscrit permet de créer des tBLM, de la composition lipidique souhaitée, en utilisant un peptide pilotis spécifiquement conçu durant cette thèse. La création de ce modèle a été suivie en temps réel par imagerie de résonance plasmonique de surface (SPRi) et caractérisé par AFM et par microscopie de fluorescence / Two members of the Visinin-Like Proteins (VILIPs) family, VILIP-1 and VILIP-3, have been studied using two biomimetic membrane models, the Langmuir monolayers coupled to the Brewster angle microscopy (BAM) and the supported lipid bilayers (SLB) visualized by atomic force microscopy (AFM). Using these two models, we have shown that VILIPs, N-myristoylated proteins with four EF-hands, have a membrane interaction kinetic that increases in the presence of calcium, probably due to the presence of a "calcium-myristoyl switch" mechanism. Tn contrast, the use of unmyristoylated proteins revealed that the presence of the myristoyl group is not the only factor necessary for the interaction of these proteins with the membrane. The presence of a N- terminal lysine-rich region allows this family of proteins to interact through electrostatic interactions with membranes containing anionic lipids and particularly the phosphatidylionisitol-4,5-biphosphate (PIP2). The presence of a small percent of phosphoinositide in the membrane is responsible for the acceleration of the binding rate of VILIPs, which is consistent with their subcellular location in cellulo. Finally, a new membrane model of peptide tethered lipid bilayers (pep-tBLM) grafted onto a gold surface was developed. The method described in this manuscript allows the formation of tBLM, containing the desired lipid composition, by using a home-designed peptide as tether. The formation is followed in real time by surface plasmon resonance imaging (SPRi) and has been characterized by AFM and fluorescence microscopy