En physique statistique, l’information macroscopique d’intérêt pour les systèmes considérés peut être dé-duite à partir de moyennes sur des configurations microscopiques réparties selon des mesures de probabilitéµ caractérisant l’état thermodynamique du système. En raison de la haute dimensionnalité du système (quiest proportionnelle au nombre de particules), les configurations sont le plus souvent échantillonnées en util-isant des trajectoires d’équations différentielles stochastiques ou des chaînes de Markov ergodiques pourla mesure de Boltzmann-Gibbs µ, qui décrit un système à température constante. Un processus stochas-tique classique permettant d’échantillonner cette mesure est la dynamique de Langevin. En pratique, leséquations de la dynamique de Langevin ne peuvent pas être intégrées analytiquement, la solution est alorsapprochée par un schéma numérique. L’analyse numérique de ces schémas de discrétisation est maintenantbien maîtrisée pour l’énergie cinétique quadratique standard. Une limitation importante des estimateurs desmoyennes sontleurs éventuelles grandes erreurs statistiques.Sous certaines hypothèsessur lesénergies ciné-tique et potentielle, il peut être démontré qu’un théorème de limite central est vrai. La variance asymptotiquepeut être grande en raison de la métastabilité du processus de Langevin, qui se produit dès que la mesure deprobabilité µ est multimodale.Dans cette thèse, nous considérons la discrétisation de la dynamique de Langevin modifiée qui améliorel’échantillonnage de la distribution de Boltzmann-Gibbs en introduisant une fonction cinétique plus généraleà la place de la formulation quadratique standard. Nous avons en fait deux situations en tête : (a) La dy-namique de Langevin Adaptativement Restreinte, où l’énergie cinétique s’annule pour les faibles moments,et correspond à l’énergie cinétique standard pour les forts moments. L’intérêt de cette dynamique est que lesparticules avec une faible énergie sont restreintes. Le gain vient alors du fait que les interactions entre lesparticules restreintes ne doivent pas être mises à jour. En raison de la séparabilité des positions et des mo-ments marginaux de la distribution, les moyennes des observables qui dépendent de la variable de positionsont égales à celles calculées par la dynamique de Langevin standard. L’efficacité de cette méthode résidedans le compromis entre le gain de calcul et la variance asymptotique des moyennes ergodiques qui peutaugmenter par rapport à la dynamique standards car il existe a priori plus des corrélations dans le tempsen raison de particules restreintes. De plus, étant donné que l’énergie cinétique est nulle sur un ouvert, ladynamique de Langevin associé ne parvient pas à être hypoelliptique. La première tâche de cette thèse est deprouver que la dynamique de Langevin avec une telle énergie cinétique est ergodique. L’étape suivante con-siste à présenter une analyse mathématique de la variance asymptotique de la dynamique AR-Langevin. Afinde compléter l’analyse de ce procédé, on estime l’accélération algorithmique du coût d’une seule itération,en fonction des paramètres de la dynamique. (b) Nous considérons aussi la dynamique de Langevin avecdes énergies cinétiques dont la croissance est plus que quadratique à l’infini, dans une tentative de réduire lamétastabilité. La liberté supplémentaire fournie par le choix de l’énergie cinétique doit être utilisée afin deréduire la métastabilité de la dynamique. Dans cette thèse, nous explorons le choix de l’énergie cinétique etnous démontrons une convergence améliorée des moyennes ergodiques sur un exemple de faible dimension.Un des problèmes avec les situations que nous considérons est la stabilité des régimes discrétisés. Afind’obtenir une méthode de discrétisation faiblement cohérente d’ordre 2 (ce qui n’est plus trivial dans le casde l’énergie cinétique générale), nous nous reposons sur les schémas basés sur des méthodes de Metropolis. / In statistical physics, the macroscopic information of interest for the systems under consideration can beinferred from averages over microscopic configurations distributed according to probability measures µcharacterizing the thermodynamic state of the system. Due to the high dimensionality of the system (whichis proportional to the number of particles), these configurations are most often sampled using trajectories ofstochastic differential equations or Markov chains ergodic for the probability measure µ, which describesa system at constant temperature. One popular stochastic process allowing to sample this measure is theLangevin dynamics. In practice, the Langevin dynamics cannot be analytically integrated, its solution istherefore approximated with a numerical scheme. The numerical analysis of such discretization schemes isby now well-understood when the kinetic energy is the standard quadratic kinetic energy.One important limitation of the estimators of the ergodic averages are their possibly large statisticalerrors.Undercertainassumptionsonpotentialandkineticenergy,itcanbeshownthatacentrallimittheoremholds true. The asymptotic variance may be large due to the metastability of the Langevin process, whichoccurs as soon as the probability measure µ is multimodal.In this thesis, we consider the discretization of modified Langevin dynamics which improve the samplingof the Boltzmann–Gibbs distribution by introducing a more general kinetic energy function U instead of thestandard quadratic one. We have in fact two situations in mind:(a) Adaptively Restrained (AR) Langevin dynamics, where the kinetic energy vanishes for small momenta,while it agrees with the standard kinetic energy for large momenta. The interest of this dynamics isthat particles with low energy are restrained. The computational gain follows from the fact that theinteractions between restrained particles need not be updated. Due to the separability of the positionand momenta marginals of the distribution, the averages of observables which depend on the positionvariable are equal to the ones computed with the standard Langevin dynamics. The efficiency of thismethod lies in the trade-off between the computational gain and the asymptotic variance on ergodic av-erages which may increase compared to the standard dynamics since there are a priori more correlationsin time due to restrained particles. Moreover, since the kinetic energy vanishes on some open set, theassociated Langevin dynamics fails to be hypoelliptic. In fact, a first task of this thesis is to prove thatthe Langevin dynamics with such modified kinetic energy is ergodic. The next step is to present a math-ematical analysis of the asymptotic variance for the AR-Langevin dynamics. In order to complementthe analysis of this method, we estimate the algorithmic speed-up of the cost of a single iteration, as afunction of the parameters of the dynamics.(b) We also consider Langevin dynamics with kinetic energies growing more than quadratically at infinity,in an attempt to reduce metastability. The extra freedom provided by the choice of the kinetic energyshould be used in order to reduce the metastability of the dynamics. In this thesis, we explore thechoice of the kinetic energy and we demonstrate on a simple low-dimensional example an improvedconvergence of ergodic averages.An issue with the situations we consider is the stability of discretized schemes. In order to obtain aweakly consistent method of order 2 (which is no longer trivial for a general kinetic energy), we rely on therecently developped Metropolis schemes.

La fabrication de jonctions implique de nombreux défis technologiques à mesure que les dispositifs se rétrécissent. Afin de mitiger les problèmes liés à la diminution agressive des dimensions des transistors, des substrats SOI ainsi que du silicium-germanium (SiGe) contraint ont été introduits dans les nœuds avancés. Ces nœuds nécessitent toutefois une jonction abrupte fortement activée, qui est réalisable avec la recristallisation en phase solide (SPER) et un faible budget thermique (500°C-5h).Dans ce manuscrit, la SPER du silicium, germanium et d’alliages SiGe est étudiée avec des méthodes atomistiques telles que le Monte Carlo Cinétique (KMC) et la dynamique moléculaire (MD). Le modèle KMC de SPER se base sur une équation d'Arrhenius et distingue des configurations locales à l'interface amorphe-cristal pour simuler la dépendance de la vitesse de SPER par rapport à l’orientation de substrat. Les simulations en dynamique moléculaire montrent que la vitesse de SPER sur les orientations de {111} est fortement dépendante de la taille de la cellule ainsi que de la température et du temps de recuit.Le modèle KMC est de plus étendu afin de considérer l'effet du bore pendant la SPER. Le bore peut en effet créer des complexes à la fois dans l’amorphe et le cristal et augmenter la vitesse de SPER. Cette augmentation est toutefois saturée lorsque le bore atteint de trop fortes concentrations. Un modèle de réaction de défauts traitant les complexes a été adjoint au modèle de SPER afin de correctement simuler la vitesse de SPER pour toutes les concentrations de bore. Dans les alliages (100)SiGe relaxés, l'énergie d'activation de la SPER possède un maximum à 40% de concentration de Ge.Le modèle KMC doit introduire en plus des liaisons Si-Si et Ge-Ge, la liaison Si-Ge pour simuler correctement la recristallisation des alliages. Le modèle est également utilisé pour émettre des hypothèses sur la vitesse de SPER sur d'autres orientations. Les simulations en dynamique moléculaire confirment également le comportement de l’énergie d'activation dans les alliages SiGe.Des expériences de diffractions par rayons-X suivant en temps réel la recristallisation d’alliages de SiGe contraints ont été réalisées avec un rayonnement synchrotron. La contrainte est perdue dans les alliages riches en Ge et la température de recuit semble avoir un rôle sur la relaxation. La rugosité de l'interface pourrait être le lien entre la relaxation de la contrainte et la température, du fait que des simulations en dynamique moléculaires révèlent l’influence de la température de recuit sur la rugosité de l'interface et que les défauts relaxant la contrainte ont été associés à une interface rugueuse.En résumé, le SPER et ses diverses dépendances ont été étudiées dans ce manuscrit par des approches atomistiques. Les conclusions tirées améliorent la compréhension actuelle de la SPER, permettant ainsi une meilleure optimisation de la fabrication des jonctions. / The junction fabrication involve numerous technological challenges as the devices shrink. To alleviate issues brought by the aggressive device scaling, Fully Depleted SOI substrates as well as strained silicon-germanium (SiGe) have been introduced in advanced nodes. They however require a highly-activated abrupt junction achievable with solid phase epitaxial regrowth (SPER) and a low thermal budget (500$^circ$C-5h).In this manuscript, the SPER of silicon, germanium and SiGe alloys is investigated using Kinetic Monte Carlo (KMC) and Molecular Dynamics (MD) methods. The KMC model of SPER uses an Arrhenius equation and distinguishes local configurations at the amorphous-crystalline interface to simulate the SPER rate dependence on substrate orientations. In MD simulations, the SPER rate on {111} orientations is found to heavily depends on the cell size, anneal temperature and time.The KMC model is furthermore refined to consider the effect of boron during SPER. Boron is known to create complexes in both amorphous and crystalline phases and increase the SPER rate. This increase however saturates at high boron concentrations. A defect reaction model handling the complexes has been conjoined to the SPER model to correctly simulate the SPER rate behaviour for all boron concentrations.In relaxed (100)SiGe alloys, the SPER activation energy possesses a maximum at 40% of Ge concentration. The KMC model introduces in addition to Si-Si and Ge-Ge bonds, the Si-Ge bond to correctly simulate alloy recrystallisation. The model is also used to hypothesise the rates on other orientations. MD simulations also confirm the activation energy behaviour in SiGe alloys.Finally, X-ray diffractions following in real-time the recrystallisation of strained SiGe alloys are performed with synchrotron radiations. The strain is lost in Ge-rich alloys. The strain relaxation can be related to the anneal temperature. The interface roughness could be the link between the strain relaxation and the temperature, as MD simulations exhibit an influence of the anneal temperature on the interface roughness and strain relaxing defects are associated to a rough interface.In summary, the SPER and its several dependencies are investigated in this manuscript with atomistic approaches. The drawn conclusions increase the current understanding of SPER, allowing a better optimisation of junction fabrication.

L’ADN, support de l’information génétique, est constamment altéré par des agents physiques ou chimiques d’origines endogènes (métabolisme) et exogènes (UV, radiations ionisantes, produits chimiques) dont les effets sont génotoxiques. Ces modifications structurales délétères de l’ADN sont éliminées par de nombreux mécanismes de réparation. Parmi eux, le système de réparation par excision de bases (BER) est initié par les ADN glycosylases qui reconnaissent et éliminent les bases endommagées. Dans certaines stratégies anti-cancéreuses, l’utilisation de la chimiothérapie et la radiothérapie ont pour but la destruction des cellules cancéreuses en altérant leur ADN. Dans ce contexte, les ADN glycosylases réparent l’ADN des cellules traitées et induisent une résistance non désirée au traitement, faisant de ces enzymes des cibles thérapeutiques intéressantes. Le but de ces travaux est d’approfondir la compréhension des mécanismes de réparation des ADN glycosylases de la superfamille structurale Fpg/Nei grâce à la modélisation moléculaire et de pouvoir identifier et concevoir des inhibiteurs de ces enzymes. Les simulations de dynamique moléculaire (DM) nous ont permis d’étudier la « Lesion Capping Loop » (LCL) et de l’associer à la stabilisation de la base endommagée positionnée dans le site actif. Nous avons également étudié les chemins de sortie possibles de la base après coupure par l’enzyme et l’implication de la boucle LCL dans ce phénomène grâce à des simulations de DM ciblée (TMD-1). De plus, les simulations de DM couplées à un protocole d’amarrage moléculaire « aveugle » nous ont permis d’identifier 2 sites de fixations possibles majoritaires pour des petites molécules potentiellement inhibitrices. Un de ces sites correspondant au site actif de hNEIL1 a fait l’objet d’un criblage virtuel d’une partie de la base de molécules Ambinter. Ceci nous a permis d’identifier des molécules potentiellement inhibitrices dont les effets seront prochainement testés in vitro dans l’équipe sur la protéine humaine hNeil1. / The DNA, genetic information support, is frequently damaged by physical or chemical agents from endogenous (cell metabolism) and exogenous (UV, ionizing radiations, chemicals) factors whose effects are genotoxic. These deleterious DNA structural alterations are removed by many DNA repair mechanisms. Among them, the base excision repair (BER) is initiated by DNA glycosylases which recognize and remove damaged bases. In some anti-cancer strategies, the use of chemo- and radiotherapy is aimed to cancerous cells destruction by altering their DNA. In that specific context, DNA glycosylases repair the DNA of treated cells and induce unwanted resistance to treatments, making these enzymes interesting therapeutic targets. The purpose of this work is to deepen the repair mechanism knowledge of Fpg/Nei structural superfamily of DNA glycosylases using molecular modeling and designing inhibitors of these enzymes. Molecular dynamic simulations allowed us to study the « Lesion Capping Loop » (LCL) and to associate its role to substrate stabilization in the enzyme active site. We also studied some possible excision’s product release pathways and LCL implication in this phenomena by targeted molecular dynamic simulations (TMD-1). Furthermore, molecular dynamic simulations coupled to a blind molecular docking protocol allowed us to identify 2 possible main binding sites of potential inhibitiors. One of these binding sites corresponding to the hNEIL1 active site has been the object of a virtual screening of the Greenpharma database. This allowed us to identify potential inhibitors whom effects will be soon tested in vitro on the humain protein hNEIL1.

Cette thèse présente deux sujets de recherche indépendants concernant l'application de méthodes stochastiques à des problèmes issus de la dynamique moléculaire. Dans la première partie, nous présentons des travaux liés à l'interprétation probabiliste de l'équation de Poisson-Boltzmann qui intervient dans la description du potentiel électrostatique d'un système moléculaire. Après avoir introduit l'équation de Poisson-Boltzmann et les principaux outils mathématiques utilisés, nous nous intéressons à l'équation linéaire parabolique de Poisson-Boltzmann. Avant d’énoncer le résultat principal de la thèse, nous étendons des résultats d'existence et unicité des équations différentielles stochastiques rétrogrades. Nous donnons ensuite une interprétation probabiliste de l'équation non-linéaire de Poisson-Boltzmann sous la forme de la solution d'une équation différentielle stochastique rétrograde. Enfin, dans une seconde partie prospective, nous commençons l'étude d'une méthode proposée par Paul Malliavin de détection des variables lentes et rapides d'une dynamique moléculaire. / This thesis presents two independent research topics. Both are related to the application of stochastic problems to molecular dynamics. In the first part, we present a work related to the probabilistic interpretation of the Poisson-Boltzmann equation. This equation describes the electrostatic potential of a molecular system. After an introduction to the Poisson-Boltzmann equation, we focus on the parabolic and linear equation. After extending an existence and uniqueness result for backward stochastic differential equations, we establish a probabilistic interpretation of the nonlinear Poisson-Boltzmann equation with backward stochastic differential equations. Finally, in a more prospective second part, we initiate a study of a slow and fast variables detection method due to Paul Malliavin.

La compréhension des enzymes et de leurs mécanismes catalytiques est d'une grande importance dans le développement de médicaments plus efficaces Pour mieux appréhender ces phénomènes, différentes approches théoriques comme les méthodes QM, MM-MD et QM/MM, peuvent être utilisées. L'objectif principal de cette thèse est d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de réactivité et de la dynamique de l'enzyme GABA-AT (y-aminobutyric acid aminotransferase), un modèle d'enzyme dépendante au phosphate pyridoxal (PLP). Notre travail a consisté en 5 étapes vers une plus grande compréhension de GABA-AT. 1) la réaction et le mode d'attachement du substrat naturel GABA ont été étudié pour différents isomères à l'aide de systèmes modèles et de la DFT. 2) l'enzyme a été simulée par dynamique moléculaire classique dans les cas de l'apoenzyme, l'holoenzyme et l'holoenzyme inactivée. Nos résultats montrent que plusieurs résidus du site actif jouent un rôle important et que leur état de protonation ainsi que celui du PLP sont cruciaux dans l'activité de GABA-AT. 3) l'influence des résidus du site actif sur la réactivité a été étudiée par la modélisation quantique de clusters moléculaires. Le plus gros cluster comprenait 165 atomes entouré d'un solvant implicite. 4) de nouvelles routines de diagonalisation pour SEBOMD ont été incorporées dans la suite AMBER à travers l'utilisation des bibliothèques LAPACK et SCALAPACK. Ces nouvelles routines ont été testées et leur efficacité a été évaluée. 5) des énergies libres de réaction ont été évaluées par dynamiques SEBOMD sur des intermédiaires réactionnels GABA-PLP / Understanding enzymes and their catalytic mechanisms is very important in order to develop more effective drugs having little to no side effects. In order to decipher the catalytic behavior of enzymes, different approaches such as QM, MM-MD, and QM/MM can be used and their results can be correlated. The main aim of this thesis is to get a deeper understanding of the mechanistic insights of the reactivity and of the dynamics of the pyridoxal-5-phosphate (PLP) dependent enzyme y-aminobutyric acid aminotransferase (GABA-AT). Because GABA-AT resembles many other PLP-dependent enzymes, understanding it could be of importance for the broad community of biochemists and computational chemists who study such class of proteins. Our work has consisted of five stages to pursuit the comprehension of GABA-AT. First, the reaction and the preferred binding mode of the natural substrate GABA has been elucidated with different isomers by means of model systems with DFT. Second, the dynamics and the behavior of the enzyme has been studied with MM-MD through the use of apoenzyme, holoenzyme and holoenzyme with an inactivator. Third, the effect of the active site residues in the inactivation mechanism has been investigated with the modelling of clusters at the QM level involving key residues. Fourth, new diagonalization routines for the SEBOMD (SemiEmpirical Born-Oppenheimer Molecular Dynamics) approach implemented in the Amber suite of programs, have been incorporated using LAPACK and SCALAPACK libraries, tested and evaluated to optimize the diagonalization procedure of the Fock matrix. Fifth, reaction free energies of PLP containing systems have been investigated with SEBOMD simulations

L’optimisation globale fiable est dédiée à la recherche d’un minimum global en présence d’erreurs d’arrondis. Les seules approches fournissant une preuve numérique d’optimalité sont des méthodes d’intervalles qui partitionnent l’espace de recherche et éliminent les sous-espaces qui ne peuvent contenir de solution optimale. Ces méthodes exhaustives, appelées branch and bound par intervalles, sont étudiées depuis les années 60 et ont récemment intégré des techniques de réfutation et de contraction, issues des communautés d’analyse par intervalles et de programmation par contraintes. Il est d’une importance cruciale de calculer i) un encadrement précis de la fonction objectif et des contraintes sur un sous-domaine ; ii) une bonne approximation (un majorant) du minimum global. Les solveurs de pointe sont généralement des méthodes intégratives : ils invoquent sur chaque sous-domaine des algorithmes d’optimisation locale afin d’obtenir une bonne approximation du minimum global. Dans ce document, nous nous intéressons à un cadre coopératif combinant des méthodes d’intervalles et des algorithmes évolutionnaires. Ces derniers sont des algorithmes stochastiques faisant évoluer une population de solutions candidates (individus) dans l’espace de recherche de manière itérative, dans l’espoir de converger vers des solutions satisfaisantes. Les algorithmes évolutionnaires, dotés de mécanismes permettant de s’échapper des minima locaux, sont particulièrement adaptés à la résolution de problèmes difficiles pour lesquels les méthodes traditionnelles peinent à converger. Au sein de notre solveur coopératif Charibde, l’algorithme évolutionnaire et l’algorithme sur intervalles exécutés en parallèle échangent bornes, solutions et espace de recherche par passage de messages. Une stratégie couplant une heuristique d’exploration géométrique et un opérateur de réduction de domaine empêche la convergence prématurée de la population vers des minima locaux et évite à l’algorithme évolutionnaire d’explorer des sous-espaces sous-optimaux ou non réalisables. Une comparaison de Charibde avec des solveurs de pointe (GlobSol, IBBA, Ibex) sur une base de problèmes difficiles montre un gain de temps d’un ordre de grandeur. De nouveaux résultats optimaux sont fournis pour cinq problèmes multimodaux pour lesquels peu de solutions, même approchées, sont connues dans la littérature. Nous proposons une application aéronautique dans laquelle la résolution de conflits est modélisée par un problème d’optimisation sous contraintes universellement quantifiées, et résolue par des techniques d’intervalles spécifiques. Enfin, nous certifions l’optimalité de la meilleure solution connue pour le cluster de Lennard-Jones à cinq atomes, un problème ouvert en dynamique moléculaire. / Reliable global optimization is dedicated to finding a global minimum in the presence of rounding errors. The only approaches for achieving a numerical proof of optimality in global optimization are interval-based methods that interleave branching of the search-space and pruning of the subdomains that cannot contain an optimal solution. The exhaustive interval branch and bound methods have been widely studied since the 1960s and have benefitted from the development of refutation methods and filtering algorithms, stemming from the interval analysis and interval constraint programming communities. It is of the utmost importance: i) to compute sharp enclosures of the objective function and the constraints on a given subdomain; ii) to find a good approximation (an upper bound) of the global minimum. State-of-the-art solvers are generally integrative methods, that is they embed local optimization algorithms to compute a good upper bound of the global minimum over each subspace. In this document, we propose a cooperative framework in which interval methods cooperate with evolutionary algorithms. The latter are stochastic algorithms in which a population of individuals (candidate solutions) iteratively evolves in the search-space to reach satisfactory solutions. Evolutionary algorithms, endowed with operators that help individuals escape from local minima, are particularly suited for difficult problems on which traditional methods struggle to converge. Within our cooperative solver Charibde, the evolutionary algorithm and the intervalbased algorithm run in parallel and exchange bounds, solutions and search-space via message passing. A strategy combining a geometric exploration heuristic and a domain reduction operator prevents premature convergence toward local minima and prevents the evolutionary algorithm from exploring suboptimal or unfeasible subspaces. A comparison of Charibde with state-of-the-art solvers based on interval analysis (GlobSol, IBBA, Ibex) on a benchmark of difficult problems shows that Charibde converges faster by an order of magnitude. New optimality results are provided for five multimodal problems, for which few solutions were available in the literature. We present an aeronautical application in which conflict solving between aircraft is modeled by an universally quantified constrained optimization problem, and solved by specific interval contractors. Finally, we certify the optimality of the putative solution to the Lennard-Jones cluster problem for five atoms, an open problem in molecular dynamics.

Cette étude a eu pour objectif de contribuer à une meilleure compréhension du comportement photochimique de certains micropolluants de type antibiotiques vétérinaires (sulfaquinoxaline, pyriméthamine) ou antibactérien (triclosan) en solution aqueuse et à la surface de la kaolinite, utilisée comme un modèle de sol.L’étude du comportement photochimique de la sulfaquinoxaline a été réalisée sous excitation à 254 nm et 365 nm. Dans tous les cas, une dégradation efficace est observée avec un rendement quantique qui dépend de la longueur d’onde d’excitation, du pH et la concentration d’oxygène dissous. De plus, la présence de l’oxygène moléculaire dans le milieu conduit à une inhibition partielle la photodégradation mettant en évidence l’implication partielle de l’état excité triplet. Ce dernier a pu être mis en évidence par photolyse laser nanoseconde à travers un transfert Triplet-Triplet (T-T) en employant le β-carotène comme accepteur. Sur le plan analytique, la phototransformation de la sulfaquinoxaline conduit à la formation d’un grand nombre de produits qui ont été identifiés par HPLC/ESI/MS/MS en identifiant les processus de fragmentation intervenant pour chaque molécule étudiée. L’étude a permis de montrer que les états excités singulet et triplet sont tout les deux impliqués dans la photodegradation et que les processus principaux intervenant sont la photohydrolyse, la désulfonation avec un réarrangement intramoléculaire, l'hydroxylation des motifs aromatiques et l'isomérisation selon un processus de type photo Fries.L’étude de la photoréactivité de la pyriméthamine a montré que la dégradation est plus efficace avec la forme neutre. Le rendement quantique a été évalué à environ 4,0x10-2 en milieu aéré et sous excitation à 254 nm. L’étude par photolyse laser a montré la formation intermédiaire de l’état excité triplet mais également de l’électron solvaté (absorption à 700 nm). Les processus de formation des photoproduits primaires sont la substitution de l’atome de chlore par un groupement hydroxyle ou par un atome d’hydrogène et l’hydroxylation du noyau aromatique.La dégradation des micropolluants à la surface du sol a pu être abordée en utilisant l’argile kaolinite comme support modèle. Ce système simplifié nous a permis d’étudier la photodégradation sous excitation en Suntest sur le plan cinétique et analytique. L’étude cinétique a été entreprise en fonction de différents paramètres tels que l’épaisseur de la kaolinite et la concentration initiale du substrat. Le premier effet nous a permis de montrer que pour des épaisseurs inférieures à 70 µm, la vitesse de diffusion du composé des zones sombres vers les zones irradiées est très rapide devant la photolyse et de ce fait, elle peut être négligée. Cet aspect a conduit à la détermination du rendement quantique de disparition à la surface de la kaolinite. Sur le plan analytique, les réactions observées sur l’argile sont différentes de celles observées en solution aqueuse. En effet, dans le cas de la sulfaquinoxaline, seul le produit de désulfonation est observé. Au contraire de la sulfaquinoxaline, l’étude complète de la molécule de triclosan a montré la formation de plusieurs produits et notamment des dimères ou des oligomères ce qui suggère la présence du substrat sous forme d’agrégats à la surface de l’argile. Afin de confirmer cette observation expérimentale, nous avons abordé une étude de modélisation par dynamique moléculaire. Celle-ci a donnée des informations très importantes sur l’organisation des molécules à la surface de la kaolinite. Ainsi, l’adsorption du triclosan fait intervenir d'importantes liaisons hydrogène avec la surface de la kaolinite. En présence de plusieurs molécules, la formation d’agrégats est gouvernée par une importante interaction entre les noyaux aromatiques de type π-stacking. / The study undertaken within this thesis concerns the photochemical behavior of the veterinary antibiotics sulfaquinoxaline and pyrimethamine, as well as the antimicrobial triclosan in aqueous solutions and at the surface of kaolin, used as a soil model.The photochemical study on sulfaquinoxaline was performed at 254 and 365 nm. In all cases, an efficient degradation was observed with a quantum yield that depends on the excitation wavelength, pH and the dissolved molecular oxygen concentration. Molecular oxygen acts as an inhibitor which reflects the involvement of the triplet excited state. Sulfaquinoxaline was clearly shown to be a photosensitizer of β-carotene via a triplet-triplet transfer process. From the analytical point of view, several photoproducts were generated and identified by using HPLC/ESI/MS/MS technique through a close analysis of the fragmentation processes. The byproducts that were formed via the singlet as well as the triplet excited states were mainly generated by photohydrolysis, desulfonation, hydroxylation and isomerisation reactions.The photochemical study of pyrimethamine indicates an efficient photoreactivity with the molecular form. The laser flash photolysis study reveals the implication of singlet and triplet excited states. The byproducts were mainly formed through the substitution of the chlorine atom by an hydroxyl group and the hydroxylation of the aromatic moiety.The photochemical study at the surface of soil was undertaken by using kaolin as a model support. Such simple system appears to be a guideline for precise kinetic and analytical studies. The former was performed as a function of several important parameters such as the layer thickness and the initial concentration of the substrate. The first parameter clearly indicates that for a thickness lower than 70 µm, the rate of diffusion is so fast that this process can be neglected when compared to the photochemical process. Thus, the first rate constant at the surface of kaolin was determined. Only the product of desulfonation was observed with sulfaquinoxaline while with triclosan, several byproducts were obtained such as dimers and oligomers suggesting the formation of aggregates at the surface of the solid support. In order to confirm this aspect, molecular dynamics studies were undertaken and indicate that the adsorption of triclosan mainly occurs at the surface of kaolin via hydrogen molecular bonds. The arrangement of the molecules in a cluster is governed by π-stacking type interactions between the aromatic moieties.

Cette thèse décrit diverses situations liées au transport fluidique aux nano-échelles. Le premier chapitre est une introduction à la nanofluidique qui contient une revue des longueurs caractéristiques, des forces et des phénomènes présents aux nano-échelles. Le deuxième chapitre est une étude de l'impact de la géométrie sur la perméabilité hydrodynamique d'un nanopore. Inspirée par la forme des aquaporines, cette étude suggère une optimisation possible pour des canaux biconiques. Le troisième chapitre est une étude du remplissage capillaire dans des canaux sub-nanométriques en carbone. Cette étude montre l'importance de la pression de disjonction induite par la structure du fluide sur le remplissage. Le quatrième chapitre est une étude d'une diode nanofluidique, un composant connu pour imiter le comportement d'une diode à semi-conducteur. On montre qu'un fort couplage entre l'eau et la dynamique des ions entraîne une rectification du flux d'eau à l'intérieur de la diode. Le cinquième et dernier chapitre est une étude de l'origine du bruit rose (1=f) communément observé lors des mesures de courant ionique dans les nanopores / This thesis discusses various situations linked to transport at the nanoscale. The first chapter is an introduction to nanofluidics, containing a review of characteristic lengths, forces, or phenomena existing at the nanoscale. The second chapter is a study of the impact of geometry on the hydrodynamic permeability of a nanopore. This study, inspired by the shape of aquaporins, suggests a possible optimisation of permeability for bi-conical channels. The third chapter is a study of capillary filing inside subnanometric carbon channels which highlights the importance of the disjoining pressure induced by the fluid structuring inside the nanochannel. The fourth chapter is a study of nanofluidic diode, a component known to mimic the behaviour of semiconductor diode. The study highlights a strong coupling between water and ion dynamics which leads to a water flow rectification inside the diode. The fifth and last chapter is a study of the origin of commonly observed pink noise (1=f) in ionic current measurements through nanopores

Le travail présenté dans ce manuscrit est basé sur l’utilisation de la modélisation moléculaire, de la simulation et de la chimie théorique pour l’étude de la photosensibilisation de l’ADN ; c’est à dire l’augmentation de la sensibilité de l’ADN vis-à-vis de la lumière au travers de l’action d’agents photosensibilisants. Premièrement, les voies photophysiques et photochimiques de plusieurs molécules connues telles que nile bleu, nile rouge, BMEMC ou une base modifiée endogène, Pyo, ont été étudiés dans le but de comprendre leurs mécanismes de photosensibilisation. Les phénomènes associés qui ont été mis en évidence sont des transferts d’électrons et d’énergie, la production d’électrons solvatés et l’activation à deux photons. De plus, deux outils pour l’étude des interactions entre les molécules et l’ADN ont été dévellopés; i) un protocole calculatoire capable de fournir l’énergie libre d’interaction de drogues dans leurs poches; ii) un outil basé sur l’hamiltonien semi-empirique de Frenkel qui permet de modéliser le spectre de dichroïsme circulaire électronique de biomacromolécules. Ensuite, les effets de photolésions sur la structure et la flexibilité de l’ADN ont été étudiés ; i.e. les dimères de pyrimidines, la pyrimidine(6-4)pyrimidone (6-4PP) et les clusters de sites abasiques. Finalement, la reconnaissance de brins d’ADN lésés par des protéines de réparation et le rapport avec leurs activités enzymatiques a été analysé. Le lecteur peut se référer à la première partie de ce manuscrit pour une présentation vulgarisée du contexte de ce projet / The work presented in this manuscript is based on the use of molecular modeling, simulation and theoretical chemistry in order to study the photosensitization of DNA; i.e. the enhancement of the sensitivity of DNA to light through the action of a photosensitizing agent. A first aspect has been to study the photophysical and photochemical pathways of several known sensitizers such as nileblue, nilered, BMEMC or an endogenous modified nucleobase, Pyo, in order to understand their mechanisms of photosensitization. The related phenomena that have been observed are electron transfers, triplet-triplet energy transfers, production of solvated electrons and two-photons activations. Moreover, two tools have been developed to study the interaction between photosensitizing agents and DNA; i) a protocol able to provide the binding free energy of drugs in their interaction pockets; ii) a tool based on the semi-empirical Frenkel Hamiltonian to model the electronic circular dichroism of biomacromolecular systems in a straightforward way. Then the effects of photoinduced lesions on the DNA structure and flexibility have been investigated; i.e. cylcopyrimidine dimers (CPD), pyrimidine(6-4)pyrimidone (6-4PP) and cluster abasic sites. Finally the recognition of damaged DNA strands by repair enzymes is presented and the implication on enzymatic activities has been highlighted. The reader can refer to the first section of the manuscript for a popularized presentation of the project context

La drépanocytose est une maladie génétique qui se caractérise par des globules rouges en forme de faucille. Chez les personnes atteintes de drépanocytose, ces globules rouges (GR) adhèrent à l’endothélium vasculaire et provoquent ainsi une vaso-occlusion. Ce phénomène s’explique par la surexpression de la protéine Lutheran (Lu) à la surface des globules rouges falciformes qui se lie fortement à la Laminine (Ln) 511/521 exprimée par l’endothélium vasculaire enflammé. Le but de cette étude est d’identifier un inhibiteur d’interaction protéine-protéine (PPI) qui possède une forte probabilité de liaison à Lu afin d’inhiber l’interaction Lu-Ln 511/521. Un criblage virtuel de 1 295 678 composés ciblant la protéine Lu a été réalisé. La validation préalable d’un protocole de scoring a été envisagée sur la protéine CD80 qui présente un site de liaison avec des caractéristiquestopologiques et physico-chimiques similaires au site de liaison prédit sur Lu ainsi que plusieurs ligands avec des constantes d’affinité connues. Ce protocole contient différentes étapes de sélection basées sur les affinités calculées (scores), des simulations de dynamique moléculaire et les propriétés moléculaires. Un protocole de scoring fiable a été validé sur CD80 avec le programme de docking DOCK6 et les fonctions de scoring XSCORE et MM-PBSA ainsi qu’avec la méthode decalcul FMO. L’application de ce protocole sur Lu a permis d’obtenir deux ligands validés par des tests in vitro qui font l’objet d’un dépôt de brevet. La fonction de scoring XSCORE a permis d’identifier neuf autres ligands qui semblent aussi être des candidats prometteurs pour inhiber l’interaction Lu-Ln 511/521. / Drepanocytosis is a genetic blood disorder characterized by red blood cells that assume an abnormal sickle shape. In the pathogenesis of vaso-occlusive crises of sickle cell disease, red blood cells bind to the vascular endothelium and promote vaso-occlusion. At the surface of these sickle red blood cells, the overexpressed protein Lutheran (Lu) strongly interacts with the Laminin (Ln) 511/521.The aim of this study was to identify a protein-protein interaction (PPI) inhibitor with a highprobability of binding to Lu for the inhibition of the Lu-Ln 511/521 interaction. A virtual screening was performed with 1 295 678 compounds that target Lu. Prior validation of a robust scoring protocol was considered on the protein CD80 because this protein has a binding site with similar topological and physico-chemical characteristics and it also has a series of ligands with known affinity constants. This protocol consisted of multiple filtering steps based on calculated affinities (scores), molecular dynamics simulations and molecular properties. A robust scoring protocol was validated on the protein CD80 with the docking program DOCK6 and the scoring functions XSCORE and MM-PBSA and also with the FMO method. This protocol was applied to the protein Lu and we found two compounds that were validated by in vitro studies. The protection of these ligands by a patent is under process. Nine other compounds were identified by the scoring functionXSCORE and seem to be promising candidates for inhibiting the Lu-Ln 511/521 interaction.