L'Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire a sélectionné le massif de Tournemire (Aveyron) pour installer sa station expérimentale dans le cadre de ses recherches sur les capacités de confinement des milieux argileux pour le stockage de déchets radioactifs. Compte tenu des très faibles teneur en eau et perméabilité des couches argileuses des argilites, la migration dans ce milieu devrait être très faible. L'écoulement et le transport ont été étudiés en utilisant des traceurs naturels de la solution interstitielle.<br /><br />Après le développement d'un nouveau protocole pour l'extraction du chlorure de l'eau porale et des tests sur la méthode de distillation sous vide de la roche pour la mesure du deutérium de l'eau porale, l'acquisition de données pour ces deux traceurs (étudiés pour leur comportement géochimique conservatif) a été effectuée sur la séquence géologique du massif et à proximité des fractures. Les profils de données obtenus suggèrent que le processus majeur de transferts dans le massif soit la diffusion moléculaire mais ils montrent un enrichissement en ?D et ?18O de la solution interstitielle, jusqu'à un mètre à proximité des fractures, comparé à l'eau porale dans la matrice au-delà de cette zone. Ces observations suggèrent qu'un second processus de transport puisse générer des transferts spécifiques à proximité des fractures.<br /><br />L'hypothèse du processus de diffusion moléculaire à l'échelle du massif a été testée par un modèle de transport, sur une période de plusieurs dizaines de millions d'années, en prenant en compte les caractéristiques géodynamiques de la région (telles que la tectonique et la fracturation induite), et en proposant des scénarios de variations des concentrations de traceurs aux limites du système pour représenter les changements climatiques majeurs. Les transferts de traceurs dans le massif, principalement diffusifs, sont ou ont pu être affectés par un second processus engendrant l'hétérogénéité des concentrations à proximité des fractures. Ce processus implique soit une intrusion de solutions salées, soit des transferts internes au massif dus à des surpressions.

Certaines protéines, appelées protéines amphitropiques, sont solubles en milieux aqueux et capables de se lier aux membranes pour leurs activités biologiques. Ces protéines apparaissent comme d'excellents modèles pour la compréhension des principes généraux de stabilité et de repliement des protéines membranaires intrinsèques. L'α-lactalbumine et l'apo-myoglobine ont été choisies comme modèles de protéines amphitropiques. Nous proposons une étude exhaustive des facteurs qui influencent la liaison aux membranes de ces deux protéines telles que le pH, la présence de cofacteurs, la force ionique, la charge et la courbure des membranes. Une description macroscopique des mécanismes de liaison a été entreprise par des expériences de centrifugation et de fluorescence. Enfin, la structure et la stabilité des états liés aux membranes ont été sondées par des expériences d'échanges hydrogène/deutérium (H/D).<br />L'état conformationnel de l'α-lactalbumine liée aux membranes s'est révélé très dépendant de la courbure membranaire. Nous avons identifié deux hélices amphiphiles qui sont directement impliquées dans les interactions α-lactalbumine-lipides. D'autre part, nos expériences d'échanges H/D permettent une description thermodynamique de la liaison à la membrane. Dans le cas de l'apo-myoglobine, nos résultats suggèrent un mécanisme commun d'insertion membranaire pour les protéines qui possèdent une topologie de type globine. Par ailleurs, la liaison de l'apo-myoglobine aux membranes ne semble pas nécessaire pour la fonction biologique de cette protéine. Une description des structures membranaires de l'apo-myoglobine a été entreprise par des expériences d'échanges H/D suivies par spectrométrie de masse.

L'objectif de la thèse était d'étudier la dynamique des molécules biologiques in vivo, sur l'échelle de la pico- à la nanoseconde (ps-ns), en combinant la diffusion incohérente de neutrons et le marquage isotopique hydrogène/deutérium.<br /> Les mouvements diffusifs de l'eau ont été explorés dans le cytoplasme d'E. coli. L'étude a établi que la diffusion de l'eau intracellulaire est similaire à celle de l'eau pure, à température physiologique. Ce travail infirme le paradigme établi, selon lequel l'eau cellulaire est fortement ralentie par l'encombrement macromoléculaire.<br /> Les mouvements moléculaires internes et la diffusion globale des macromolécules ont été étudiés in vivo. Les résultats montrent que la proportion d'eau intracellulaire est un facteur déterminant dans la dynamique interne des macromolécules in vivo. L'encombrement macromoléculaire atténue cependant l'effet lubrifiant de l'eau sur les mouvements moléculaires internes. L'étude témoigne du fait que les échantillons standards (poudres et solutions) ne miment pas l'environnement physiologique.<br /> L'effet isotopique du solvant et l'influence de la deutériation sur la dynamique macromoléculaire moyenne, ont été explorés in vivo. Les macromolécules natives sont moins flexibles et moins résilientes en D2O. La deutériation augmente légèrement la flexibilité structurale et diminue faiblement la résilience, ce qui suggère que l'utilisation du marquage isotopique est justifiée pour les études dynamiques.<br /> Ce travail souligne l'importance du contrôle négatif lors des mesures sur des échantillons sélectivement marqués et montre qu'un taux de marquage conséquent (> 10 %) est nécessaire pour observer la dynamique d'un composant spécifique.

Les propriétés physico-chimiques des matériaux confinés sont modifiées parfois de manière drastique, à cause des effets quantiques apparaissant à des tailles aussi petites, mais aussi de par le confinement lui-même. Le but des travaux effectués durant cette thèse est de montrer que la nature du matériau confinant et la taille des sites de confinement - autrement dit les pores ou cavités – ont une influence essentielle sur les propriétés des matériaux ou fluides confinés. Nous avons ainsi tout d'abord démontré l'effet de la taille des pores de la silice mésoporeuse sur la température de transition de phase solide-solide d'un semi-conducteur aux propriétés de magnétorésistance exacerbées dans des conditions non-stœchiométriques, le séléniure d'argent. Il s'avère que plus les pores sont étroits, c'est-à-dire pour des diamètres d'ouverture passant de 20 nm à environ 2 nm, cette température de transition de phase passe de 139oC à 146 oC, les forces directrices expliquant ce phénomène étant les interactions entre la surface du milieu confinant et le matériau confiné. Les effets de confinement ont également été étudiés dans le cas de fluides, l'hydrogène et le deutérium, dans les nanostructures carbonées organisées, avec dans ce cas un effet de structure très important, les cycles adsorption/désorption étant particulièrement efficaces avec les structures en nanocornets contrairement aux C60-peapods et aux nanotubes de carbone.

Le présent travail a pour but de montrer les possibilités actuellement offertes par l'utilisation des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène pour résoudre les problèmes de la glace, à partir d'observations glaciologiques et d'analyses d'échantillons provenant de l'Antarctique. L'intérêt de ces isotopes tient au fait que les variations de leur concentration sont très grandes par rapport à la précision actuelle des déterminations effectuées en laboratoire. Leur teneur,largement influencée par les paramètres météorologjques et rnesurée sur des quantités de quelques cm3, sert donc de traceur dans l'étude de nombreux phénomènes.

Le complexe d'initiation de la traduction 3 des eucaryotes (eIF3) joue un role central dans le réseau d'interaction des divers facteurs d'initiation de la traduction qui s'assemblent sur les ribosomes 40S, et participent aux différentes réactions au cours de la voie d'initiation de la traduction. Chez Saccharomyces cerevisiaea, ce complexe est composé de cinq sous-unités, qui sont toutes homologues avec les sous-unités de cœur du complexe eIF3 des mammifères, composé de 13 sous-unités. Un objectif majeur actuellement est d'obtenir une structure tridimensionnelle de ce complexe. Dans une première étape vers la résolution de cette structure, les efforts portent sur la détermination des régions de liaisons entre sous-unités, dont assez peu sont actuellement connues. La région d'interaction entre la sous-unité 3i et le domaine C-terminal extrémal de 3b a récemment été résolu par RMN et structure cristallographique. D'un autre côté, la région d'interaction entre 3i et 3g, bien que localisée à l'extrémité N-terminale de 3g, doit encore être précisée. Les échanges hydrogène/deutérium (HDX) se sont développés depuis les années 1990 comme outil d'analyse structurale de protéines et de complexes multiprotéiques. La spectrométrie de masse est couramment utilisée pour réaliser la mesure de l'échange. L'approche HDX la plus usuelle repose sur une mesure de masse de peptide marqués issus d'une digestion enzymatique des protéines d'intérêt afin de déterminer le contenu en deutérium ainsi que leur vitesse d'incorporation. Pour ce travail, un spectromètre de masse à ultra-haute résolution, de type FT-ICR 7T, a été utilisé conjointement avec une séparation nano-LC pour générer des données HDX-MS de haute qualité. La précision de mesure de masse d'un spectromètre de masse FT-ICR n'est pas suffisante en elle-même pour identifier de façon certaine les peptides issus d'une digestion à la pepsine, du fait de l'absence de spécificité de la pepsine. Nous avons en conséquence développé une approche statistique pour l'identification des peptides, en se basant sur la définition d'une valeur de probabilité d'occurrence pour un peptide donné dans une digestion à la pepsine. En combinaison avec la précision élevée sur la mesure de masse, ce seul critère permet une identification efficace des peptides, sans devoir recourir à une validation par MS/MS systématique. Cette méthode a été mise en application pour l'étude des régions de liaison dans les complexes eIF3i :b et eIF3i :g. Dans les deux cas, 3i a été surexprimée sous sa forme complète. Au contraire, pour 3b et 3g, seul un segment partiel de la protéine native, contenant le domaine présumé d'interaction a été surexprimé. La liste de référence des peptides présents permet une excellente couverture de séquence et une forte superposition entre séquences adjacentes, ce qui assure une élucidation de la structure avec une bonne résolution spatiale. Pour la liaison entre 3i et 3b, les régions d'interactions qui sont apparues dans des conditions en solution proches des conditions physiologiques sont cohérentes avec la structure proposée par une autre équipe au cours de la thèse, apportant des informations complémentaires à celles issues de la structure cristallographique dérivée de la phase solide. Pour la liaison entre 3i et 3g, la région d'interaction a été étudiée en l'absence de toute donnée structurale à l'échelle atomique pour 3g. Les résultats apportent une vision nouvelle sur la formation du complexe entre 3g et 3i, et pour la première fois les régions de liaisons exacts ont été mis en évidence.

Ce travail de thèse est consacré à l'exploration de la dynamique d'espèces moléculaires confinées dans des réseaux nano-méso poreux. Pour caractériser le mouvement de diffusion, on a utilisé la diffusion quasi-élastique des neutrons. La dynamique rotationelle des espèces confinées a été suivie par RNM du deutérium à l'état solide. Plusieurs systèmes ont été étudiés : (i) la dynamique de l'eau dans des adsorbants sélectifs basés sur du chlorure de calcium déposé dans de la silice., (ii) la dynamique d'alcanes linéaires confinés dans les pores de la zéolithe 5A, (iii), la dynamique du butane dans la zéolithe ZSM-5, (iv) la dynamique des cycles benzéniques dans les réseaux de la MIL-53 et de la MIL-47, (v) la dynamique de l'hydrogène dans les MOFs MIL-53 et MIL-47. Dans tous les cas, la nature et la dynamique en milieu confiné dévie fortement de la dynamique à l'état condensé. / The work is dedicated to the investigation of dynamics of molecular species confined in nano-meso porous media. To investigate the translational diffusion, quasielastic neutron scattering technique was used. To characterize the rotational dynamics and intramolecular dynamics of the confined species, solid state 2H NMR was used. Several systems were studied : (i) dynamics of water in selective water sorbent SWS-1L based on CACL2 salt and porous silica ; (ii) dynamics of linear alkanes confined in zeolite 5A pores ; (iii) dynamics of linear butane in zeolite ZSM-5 ; (iv) dynamics of benzene rings in the metal-organic frameworks MIL-53 and MIL-47 ; (v) dynamics of hydrogen in MILs47 and 53. In all cases, the dynamics and the state of adsorbed species were characterized and it was shown that the dynamics in confinement strongly deviates from the dynamics in the usual bulk state.

En France, 23 000 tonnes de graphites irradiés générés par le démantèlement des réacteurs nucléaires de première génération Uranium Naturel-Graphite-Gaz (UNGG) sont en attente d'une solution de gestion à long terme. Cette thèse porte sur le comportement du tritium, l'un des principaux contributeurs à l'inventaire radiologique des graphites à l'arrêt des réacteurs. Afin d'anticiper des rejets de tritium lors du démantèlement ou de la gestion des déchets, il est indispensable d'obtenir des données sur sa migration, sa localisation et son inventaire. Notre étude repose sur la simulation du tritium par implantation de l'ordre de 3 % at. de deutérium jusqu'à environ 3 μm dans un graphite nucléaire vierge. Celui-ci a ensuite subi des recuits jusqu'à 300 h et 1300 ° C sous atmosphère inerte, gaz caloporteur UNGG et gaz humide, dans le but de reproduire des conditions proches de celles rencontrées en réacteur et lors des opérations de gestion des déchets. Les profils et la répartition spatiale du deutérium ont été analysés via la réaction nucléaire 2H(3He,p)4He. Les principaux résultats montrent un relâchement thermique du deutérium se produisant selon trois régimes contrôlés par le dépiégeage de sites superficiels ou interstitiels. L'extrapolation des données au cas du tritium tend à montrer que son relâchement thermique en réacteur pourrait avoir été inférieur à 30 % et localisé à proximité des surfaces libres du graphite. L'essentiel de l'inventaire en tritium à l'arrêt des réacteurs serait retenu en profondeur dans les graphites irradiés, dont la décontamination nécessiterait alors des températures supérieures à 1300 °C, et serait plus efficace sous gaz inerte que sous gaz humide / In France, 23 000 t of irradiated graphite that will be generated by the decommissioning of the first generation Uranium Naturel-Graphite-Gaz (UNGG) nuclear reactors are waiting for a long term management solution. This work focuses on the behavior of tritium, which is one of the main contributors to the radiological inventory of graphite waste after reactor shutdown. In order to anticipate tritium release during dismantling or waste management, it is mandatory to collect data on its migration, location and inventory. Our study is based on the simulation of tritium by implantation of approximately 3 at. % of deuterium up to around 3 μm in a virgin nuclear graphite. This material was then annealed up to 300 h and 1300 °C in inert atmosphere, UNGG coolant gas and humid gas, aiming to reproduce thermal conditions close to those encountered in reactor and during waste management operations. The deuterium profiles and spatial distribution were analyzed using the nuclear reaction 2H(3He,p)4He. The main results evidence a thermal release of implanted deuterium occurring essentially through three regimes controlled by the detrapping of atomic deuterium located in superficial or interstitial sites. The extrapolation of our data to tritium suggests that its purely thermal release during reactor operations may have been lower than 30 % and would be located close to the graphite free surfaces. Consequently, most of the tritium inventory after reactor shutdown could be trapped deeply within the irradiated graphite structure. Decontamination of graphite waste should then require temperatures higher than 1300°C, and would be more efficient in dry inert gas than in humid gas

Ce travail de thèse porte sur développement de méthodes en spectrométrie de masse structurale pour l’analyse de protéines recombinantes et de leurs complexes associés. L’objectif central s’est porté sur des développements méthodologiques en échange hydrogène/deutérium couplé à la spectrométrie de masse (HDX-MS). Les techniques biophysiques de caractérisation structurale à haute résolution comme la cristallographie ou la RMN se heurtent régulièrement à des problèmes de productions de cristaux, de taille de complexes analysables ou encore de quantité de matériel nécessaire importante. Le développement de méthodes spécifiques HDX-MS a permis de réaliser une caractérisation structurale de systèmes protéiques variés, et réfractaires aux approches haute résolution. La combinaison de cette approche à différents outils de MS structurale est aussi illustrée, et montre tout son intérêt pour l’obtention d’informations à résolution augmentée. / This thesis work focuses on development of structural mass spectrometry methods for the analysis of recombinant proteins and their associated complex. The central objective has focused on the development of hydrogen/deuterium exchange coupled to mass spectrometry approaches (HDX-MS). The high resolution biophysical techniques for structural characterization such as crystallography or NMR regularly face problems of crystal productions, size analyzable complex or quantity of material required. The development of specific HDX-MS methods allowed the characterization of various, and refractory protein systems to high resolution approaches. The combination of this approach with complementary structural MS tools is also illustrated, and shows its interest to obtain increased resolution information.

La spectroscopie RMN 2D du deutérium en abondance naturelle (DAN) en utilisant les cristaux liquides chiraux comme solvant de RMN est une méthodologie efficace pour deux raisons: i) l’interaction quadrupolaire (interaction RMN sensible à l’ordre orientationnel des molécules et spécifique aux noyaux de spin I>1/2) n’est plus nulle en moyenne comme dans les liquides; ii) la chiralité du milieu permet de discriminer spectralement des énantiomères (molécule chirale) ou des directions énantiotopes (molécule prochirale). L'objectif principal de ce travail de Thèse était d'explorer le potentiel analytique de cette technique pour analyser le fractionnement isotopique naturel deutérium dans le cas d’ester d’acides gras saturés (AGS) et (poly)insaturés (AGI). Le but ultime de ce travail est de fournir de nouvelles informations (de nature stéréochimique) pour améliorer la compréhension de certains mécanismes enzymatiques impliqués au cours de leur biosynthèse. Dans ce contexte, nous avons montré que l'utilisation de solutions organiques orientées de polypeptides (mésophases chirales) utilisant des co-solvants polaires comme le DMF ou la pyridine (Py) fournissait les meilleurs résultats en termes d’(énantio)discrimination spectrale (nombre de sites et amplitude) sur la base des déplacements chimiques et des éclatements quadrupolaires du deutérium. Ainsi, la mésophase chirale (PBLG/Py) a été utilisée avec succès pour analyser les AGI comme le linoléate de méthyle (C18), pour lequel nous avons pu mesurer l'excès énantio-isotopomèrique (eei) au niveau de chaque site méthylène de la molécule. Pour la première fois, d'importantes informations relatives à la stéréochimie des mécanismes enzymatiques, inaccessibles par la méthode conventionnelle SNIF-NMR®, ont été déterminées. La même méthodologie impliquant la mésophase achirale (PBG/Py) et chirale (PBLG/Py) s’est révélée également être un excellent outil pour l'analyse des SAFA sous leur forme libre (C14 à C18) ou sous leur forme de triglycérides (3*C4 et 3*C14). L'attribution des doublets 2H détectés sur les spectres RMN 2D anisotropes des SAFA a été confirmée par l'élaboration d'un modèle théorique capable de prédire le comportement orientationnel de ces molécules flexibles. Comme exemple illustratif, la méthode a été appliquée pour étudier les mécanismes enzymatiques convertissant le linoléate en vernoléate dans deux plantes différentes. Enfin, pour améliorer la compréhension des interactions «soluté-polypeptide» impliquées dans les mécanismes d'orientation et d’énantio-discrimination, nous avons étudié par RMN 2D DAN, l'évolution des paramètres d'ordre (matrice de Saupe) de deux molécules prochirales, rigides et apolaires dissoutes dans une mésophase chirale préparée en mélangeant deux polypeptides de même stéréochimie (L), mais dont la nature chimique des chaînes latérales est différente, en fonction de leur proportion massique respective. / Natural abundance deuterium (NAD) 2D-NMR spectroscopy using (a)chiral liquid crystals as NMR solvent is a powerful method for two reasons: i) the quadrupolar interaction (an order-sensitive NMR interaction specific to spins I > ½) is not averaged to zero anymore as in liquids; ii) the chirality of medium allows enantiomers (chiral molecule) or enantiotopic directions (prochiral molecule) to be spectrally discriminated. The main objective of this Thesis work was to explore the analytical potential of this technique to analyze the natural distribution of deuterium in the case of esters of saturated fatty acids (SAFA) and (poly)unsaturated fatty acids (PUFA). The ultimate goal of this research is to collect new (stereochemical) information to improve the understanding of some enzymatic mechanisms involved during their biosynthesis. In this context, we have shown that the use of oriented solutions of polypeptide (chiral mesophases) using polar co-solvents such as DMF or pyridine (py) provided better results in terms of spectral (enantio)discrimination (number of sites and magnitude) on the the basis of chemical shifts and deuterium quadrupole splittings. Thus, the chiral mesophase (PBLG/py) has been applied successfully to analyse PUFA’s like the methyl linoleate (C18) for which we could measure the enantio-isotopomeric excess (eie) at each methylen site of the molecule. For the first time, important information related to the stereochemistry of enzymatic mechanisms, inaccessible by the conventional method SNIF-NMR®, have been determined. The same methodology using achiral (PBG / py) and chiral (PBG / py) mesophases, revealed also to be an excellent tool for analysing SAFA in their free form (C14 to C18), or in triglyceride forms (3*C4 and 3*C14). The assignment of 2H doublets detected on 2D-NMR spectra of SAFA’s was confirmed by developing a theoretical model predicting the orientational ordering behavior of these flexible molecules. As illustrative exemple, the method was applied for investigating the enzymatic mechanisms converting the linoleate into vernoleate in two different plants. Finally, to improve the understanding of “solute/polypeptide" interactions involved in the orientation and enantiodiscrimination mechanisms, we have investigated by NAD 2D-NMR the evolution of the order parameters (Saupe matrix) of two apolar, rigid prochiral molecules dissolved in a chiral mesophase made by mixing two polypeptides having the same stereochemistry (L) but different type of side chains, versus their respective mass proportion.