Les protéines fluorescentes sont très largement utilisées dans les études de biologie moléculaire depuis maintenant une vingtaine d’année. Pour autant, l’origine de leurs propriétés photophysiques n’est pas totalement élucidée. Dans cette thèse, nous avons essayé d’améliorer la compréhension de la photophysique de deux protéines fluorescentes particulières : Padron et EosFP.Dans la protéine Padron, nous avons étudié l’isomérisation du chromophore et cherché à déterminer si la protonation et l’isomérisation sont simultanées ou successives. Pendant l’isomérisation, le donneur de proton potentiel est le résidu Tyr159. Nous avons d’abord montré que dans le vide, le transfert de proton est peu probable quelle que soit la géométrie du chromophore. Dans la protéine (où l’effet de l’environnement n’est pas négligeable) nous avons mis en évidence par dynamique moléculaire que, durant l’isomérisation, le transfert de proton n’est presque jamais favorable et reste donc un marginal.Par ailleurs, ces mêmes dynamiques ont montré que, à la fin de l’isomérisation, il apparaît de nombreux chemins de molécules d’eau reliant le chromophore au solvant et pouvant permettre un transfert de proton. On conclut doncque l’isomérisation et la protonation ne sont pas simultanées mais successives.Dans le cas de la protéine EosFP, nous avons analysé l’effet d’une molécule d’eau présente dans une partie des structures cristallines. Les dynamiques avec le chromophore à l’état fondamental ont montré que cette molécule ne joue pas de rôle, que ce soit sur le réseau de liaison hydrogène ou sur le spectre d’absorption. Par contre, à l’état excité, les dynamiques ont montré que l’extinction de fluorescence est beaucoup plus rapide sans la molécule d’eau qu’en sa présence.Par ailleurs, ces dynamiques ont mis en évidence que la protéine bloque souvent le chromophore dans des géométries où il ne peut pas retourner à l’état fondamental ni par fluorescence, ni par conversion interne. Ces géométries « noires» jouent un rôle important dans la photophysique.Pour tenir compte de ces géométries, nous avons calculé le rendement quantique et le temps de vie de fluorescence par intégration directe le long des trajectoires et par cinétique chimique. Dans les deux cas, nous avons obtenu un accord qualitatif avec l’expérience. / Fluorescent proteins are widely used in biology studies since 20 years. Yet, the origin of their photophysical properties aren’t totally explained. Here, we try to improve the understanding of two particular fluorescent proteins: Padron and EosFP.In the protein Padron, we work on the isomerization of chromophore and try to determine whether isomerization and protonation are simultaneous or successive processes. During the isomerization, the potential donor is Tyr159.First, we show that, in vacuum, the proton transfer is quite unlikely whatever the chromophore geometry.In the protein (where the environment effect isn’t negligible) we evidence with molecular dynamics that, during isomerization, proton transfer stays marginal.In addition, these dynamics shown the appearance, at the end of isomerization, of a lot of water molecules channel between the chromophore and the solvent allowing a proton transfer. We conclude that isomerization and protonation are successive processes.In the case of the protein EosFP, we first analyze the effect of a water molecule which is found only in some of the crystallographic structures.Molecular dynamics of the protein with the chromophore in the ground state show that the water molecule doesn’t play any role neither in the hydrogen bond network nor in the absorption spectra.On the contrary, in the excited state, dynamics without this water show a significant faster decay of fluorescence that those with the molecule.In addition, those dynamics have demonstrate that during long period, the protein retains the chromophore in geometries in which it is unable to convert to the ground state, neither by fluorescence nor by internal conversion. Those “dark” geometries play a crucial role in the photophysics.To take them into account, we calculate the quantum yield and the fluorescence lifetime by direct integration along trajectories and by a kinetic scheme. We obtain a good qualitative agreement with the two methods.

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Le virus de l'hépatite C (HCV) est un virus à ARN qui synthétise ses nouveaux génomes dans les cellules hôtes infectées grâce à une ARN polymérase ARN dépendante (RdRp), appelée NS5B. Cette polymérase a été pendant longtemps une cible majeure dans la recherche d'antiviraux contre l'hépatite C. Aujourd'hui, de nombreux antiviraux ont été approuvés dans le traitement de l’hépatite C ciblant différentes protéines virales, entre autre, NS5B. Le sofosbuvir qui cible le site actif de NS5B est un antiviral qui a démontré une efficacité extraordinaire dans le traitement anti-HCV.Durant ces dernières années, les recherches sur NS5B ont permis de caractériser cette protéine, à la fois structuralement et biochimiquement. La richesse des connaissances ainsi accumulées fait de NS5B un excellent modèle pour les RdRp des virus à ARN.Toutefois, peu d'études portent sur le mécanisme d’acheminement et de sélection des ribonucléotides au site actif de NS5B, et de façon générale, sur la description atomique du mécanisme de réplication assuré par NS5B, qui implique deux dications magnésium pour la catalyse comme chez toutes les polymérases de cette famille.Durant ce travail, nous avons exploité les données structurales issues de complexes ternaires (NS5B+RNA+nucleotide) obtenus en 2015 par cristallographie à l'échelle atomique. Nous avons utilisé ces structures pour mener des études de modélisation moléculaire, essentiellement par dynamique moléculaire afin d’aborder la question de l'acheminement des nucléotides vers le site actif de NS5B.Nous avons eu recours à la fois à des méthodes de dynamiques moléculaires classiques et des méthodes de dynamiques moléculaires dites biaisées telles que différentes méthodes de dynamiques moléculaires dirigées (SMD et TMD) et la dynamique moléculaire accélérée (aMD).Nos résultats indiquent que l’acheminement du nucléotide au site actif associé à un magnésium Mg(B) est contrôlé tout au long du tunnel par différents éléments de NS5B. Initialement, le nucléotide se lie à une région proche de la boucle qui surplombe le tunnel lui permettant, grâce aux interactions qu’il établit avec sa partie triphosphate, de s’orienter base en avant. Ensuite, le nucléotide atteint un point de contrôle formé essentiellement par le motif F3 (R158) et le motif F1(E143). Le nucléotide reste lié à ce site jusqu’à l’arrivée du second dication magnésium (Mg(A)) qui provoque des réarrangements structuraux, notamment au niveau du motif F3, entrainant l’avancée du nucléotide vers le site actif. Une fois ce point de contrôle passé, le nucléotide interroge alors la base du brin d’ADN matrice sans s’insérer entièrement dans le site actif.Nos simulations ont clairement établi que les dernières étapes d’entrée du nucléotide sont finement régulées par l’arrivée du second dication magnésium qui a donc un rôle de coordinateur en plus de son rôle connu dans la catalyse.Ce mécanisme d’entrée semble être spécifique aux RdRp virales et permet de comprendre pourquoi les analogues de nucléotides peuvent être aussi efficaces contre les virus à ARN. / The hepatitis C virus is an RNA virus that synthesises its new genomes in the infected host cells thanks to an RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) termed NS5B. This polymerase has been a prime target for antiviral therapy. Numerous direct antiviral drugs are now approved in the HCV treatment and allow very high rates of treatment success. These drugs target among others the HCV NS5B RdRp with the sofosbuvir being one of the most successful drugs.Tremendous efforts have been made in the past decades to characterize NS5B, in particular structurally and biochemically. However, there is little information about the molecular mechanisms of NS5B ribonucleotides entry and selection and in general on the atomistic details of the RNA replication mechanism, although the involvement of two magnesium dications in catalysis is well established in this family of polymerases. Since 2015, structures of ternary complexes of NS5B have been resolved by crystallography offering very valuable details about the binding of nucleotides at the NS5B active site.In this work, we took advantage of these structural data to address the ribonucleotides entry and to further explore the nucleotide addition cycle in NS5B using molecular modelling and molecular dynamics simulations. We used both conventional molecular dynamics techniques and biased simulations that enhance sampling such as Steered Molecular Dynamics (SMD), Targeted Molecular Dynamics (TMD) or accelerated Molecular dynamics (aMD).Based on our modelling results, we found that the access to the active site through the nucleotides tunnel is checked by successive NS5B elements. First, the entering ribonucleotide together with an associated magnesium Mg(B) binds next to a loop that overhangs the nucleotide tunnel and interactions with its triphosphate moiety orient it base-first towards the active site. Second, the ribonucleotide encounters a checkpoint constituted by the residues of motif F3(R158) and motif F1(E143) where it is blocked until the arrival of a second magnesium ion, the Mg(A). This allowed the motif F3 to undergo small structural rearrangements leading to the advancement of the nucleotide towards the active site to interrogate the RNA template base prior to the complete nucleotide insertion into the active site.Our simulations pointed out that these dynamics are finely regulated by the second magnesium dication, thus coordinating the entry of the correct magnesium-bound nucleotide with shuttling of the second magnesium necessary for the two-metal ion catalysis. This entry mechanism is specific to viral RdRps and may explain why modified ribonucleotides can be so successful as drugs against RNA viruses.

STAT5 est une protéine de la signalisation cellulaire normale, qui peut jouer un rôle important dans la transformation, la survie et à la résistance aux inhibiteurs de tyrosine kinase des cellules tumorales. Son activation constitutive par phosphorylation est liée à la présence de protéines oncogéniques comme la protéine de fusion BCR/ABL1 (leucémie myéloïde chronique) ou de formes mutées de KIT (mastocytoses), par exemple. L’inhibition pharmacologique de STAT5 constitue donc un enjeu thérapeutique majeur pour plusieurs pathologies malignes. Nous avons réalisé la première modélisation et les simulations de dynamique moléculaire des principales formes de STAT5 : la forme monomérique cytoplasmique phosphorylée ou non, et la forme dimérique phosphorylée et liée à l’ADN. Nous avons caractérisé les propriétés dynamiques et le réseau allostérique intramoléculaire des monomères de STAT5. Les résultats générés montrent des variations structurales et dynamiques liées à la différence de séquence primaire des isoformes de STAT5 et/ou à la présence du groupement phosphate. Deux poches à la surface des protéines ont également été caractérisées. Leur localisation à proximité de voies de communication allostériques suggère que ces poches pourraient constituer des sites de modulation des fonctions de STAT5. Nous avons également caractérisé les liaisons hydrogènes entre les monomères constituant les dimères de STAT5 et leur reconnaissance de l’ADN. En outre, nous avons identifié des résidus clés aux interfaces entre les entités moléculaires, nous permettant de mieux comprendre les effets de mutations de STAT5 observées en clinique dans certaines pathologies malignes. / STAT5 is a protein involved in normal cell signalling that is crucial for transformation, survival and resistance to tyrosine kinase inhibitors of tumour cells. The constitutive phosphorylation activates STAT5 and is related to oncogenic proteins like the hybrid protein BCR/ABL1 (chronic myeloid leukaemia) or mutated KIT receptor (mastocytosis). The pharmacologic inhibition of STAT5 is thus a major therapeutic concern in several malignant pathologies. We performed the first modelling and molecular dynamics simulations of the main cellular species of STAT5: the cytoplasmic phosphorylated or unphosphorylated monomer, and the phosphorylated dimer bound to DNA. We characterized the dynamical properties and the intramolecular allosteric network of the monomers. The generated results show structural and dynamic variations linked to the primary sequence changes between the two STAT5 isoforms and/or to the phosphate group. Two pockets were characterized at the surface of STAT5. Their location at close proximity of allosteric communication pathways suggests new putative inhibition sites to modulate STAT5 functions. We also described the hydrogen bonds network between the monomers of the dimeric species and the recognition of the DNA. We identified key residues at the interfaces, allowing us to better understand the effects of clinically relevant STAT5 mutations observed in malignancies.

L’évolution de la reconstruction de surface de l’Au(111) sous contrainte-déformation a été étudiée dans le cadre d’une approche, à la fois expérimentale par microscopie à effet tunnel sous environnement ultra-vide couplée à un dispositif en compression, et numériquement par simulations en dynamique moléculaire. Dans un premier temps, nous avons étudié l’interaction entre les marches atomiques (vicinales ou traces de glissement) et la reconstruction. Nous avons notamment montré expérimentalement une forte dépendance de la longueur de la reconstruction avec la largeur des terrasses, en très bon accord avec les simulations atomistiques. Nous avons démontré de manière quantitative que ce comportement provenait de la relaxation des contraintes de surface, à la fois le long et perpendiculairement aux marches atomiques. Par la suite, nous avons montré que l’apparition d’une trace de glissement, résultant de l’émergence d’une dislocation à la surface, induit une réorganisation de la reconstruction, caractérisée par la formation d’un motif en forme de U. Nous avons par ailleurs observé expérimentalement la présence de décrochements le long de la trace. Les simulations ont confirmé que ces décrochements étaient corrélés avec la modification de la reconstruction. Dans un second temps, l’étude s’est axée sur l’évolution de la reconstruction en chevrons sous contrainte-déformation appliquée. Les observations expérimentales ont montré qu’une contrainte de compression macroscopique était à l’origine d’une modification de la structure en chevrons. Les simulations en dynamique moléculaire ont permis d’analyser l’influence de l’orientation de la contrainte sur les dislocations perçant la surface. Nous avons montré qu’une réorganisation irréversible de la structure en chevrons a lieu, se caractérisant par l’annihilation des dislocations perçant la surface et la suppression de la structure en chevrons. / The evolution of the surface reconstruction of the Au(111) under stress-strain has been studied in the context of an experimental approach, both by tunneling microscopy under ultra-vacuum environment coupled to a compression device, and numerically by molecular dynamics simulations. At first, we studied the interaction between atomic steps (vicinal or slip traces) and reconstruction. In particular, we showed experimentally a strong dependence of the length of the reconstruction with the width of the terraces, in very good agreement with the atomistic simulations. We have quantitatively demonstrated that this behavior is originated from the release of surface stress, both along and perpendicular to the atomic steps. Subsequently, we have shown that the appearance of a slip traces, resulting from the emergence of dislocations at the surface, induce a reorganization of the reconstruction, characterized by the formation of a U-shaped pattern. We also observed experimentally the presence of kinks along the trace. The simulations confirmed that these kinks are correlated with the modification of the reconstruction. At last, the study focused on the evolution of the chevron pattern under applied stress-strain. Experimental observations have shown that a macroscopic compressive strain involved a modification of the herringbone structure. Molecular dynamics simulations allowed to analyze the influence of stress orientation on surface threading dislocations. We have shown that an irreversible reorganisation of the herringbone structure takes place, characterized by the annihilation of the surface threading dislocations and the removal of the herringbone structure.

Dans cette thèse nous avons étudié en détail les propriétés mécaniques de l’or sous forme de nanofils et de structures nanoporeuses revêtues ou non de silicium amorphe (a-Si). Ces travaux ont été effectués par dynamique moléculaire. Nous avons dans un premier temps étudié la déformation cyclique de nanofils d’or (NF-Au) et de nanofils cœur-coquille or-silicium amorphe (NF-AuSi). Ces simulations ont montré que le NF-Au est déformé au cours des cycles par deux mécanismes prépondérants : le maclage extensif puis le glissement d’un unique plan atomique. Le cyclage a pour effet d’altérer progressivement la morphologie de la structure en augmentant le nombre et la taille des défauts créés en surface. La déformation cyclique du NF-AuSi montre que le revêtement de a-Si délocalise la plasticité le long de la structure et permet de mieux conserver la morphologie initiale du cœur. Nous avons ensuite développé une méthode originale de génération de l’or nanoporeux. Cette méthode a été validée par la comparaison structurale et mécanique avec des résultats expérimentaux. Puis nous avons étudié la déformation en traction et en compression de différentes structures générées par cette méthode. Nous avons dans les deux cas mis en évidence les mécanismes de déformation des ligaments. En traction, nous avons apporté de nouveaux résultats permettant de mieux comprendre pourquoi l’or nanoporeux est fragile alors que l’or massif est ductile. En particulier, nous avons étudié comment s’opère la fracture en cascade des ligaments par transfert de contrainte entre ceux-ci. En compression nous avons entre autres montré que l’effondrement des pores et la création de joints de grains est responsable de l’augmentation de la contrainte à la transition écoulement-densification. Les simulations de traction et de compression des mêmes structures mais revêtues de silicium amorphe montrent plusieurs résultats intéressants. Par exemple, la résistance des structures est augmentée d’un facteur 2 à 4. De plus, le revêtement a pour effet de délocaliser la plasticité ce qui augmente la ductilité notamment en traction. En compression, la transition écoulement-densification est avancée probablement en raison de la diminution de la taille des pores causée par le revêtement. / In this thesis we have studied in detail the mechanical properties of gold nanowires and nanoporous gold with and without an amorphous silicon coating (a-Si). This work was done using molecular dynamics simulation. We first studied the cyclic deformation of gold nanowires (Au-NW) and gold-silicon core-shell nanowires (AuSi-NW). These simulations showed that the Au-NW is deformed during cyclic loading by two main mechanisms: extensive twinning and the slip of a single atomic plane. Cycling gradually alters the morphology of the structure by increasing the number and size of defects created on the surface. The cyclic deformation of the AuSi-NW shows that the a-Si coating delocalizes the plasticity along the structure and allows to better preserve the initial morphology of the core. We then developed an original method for generating nanoporous gold. This method was validated by structural and mechanical comparison with experimental results. Then we studied the tensile and compressive deformation of different structures generated by this method. In both cases, we have highlighted the deformation mechanisms of ligaments. In tension, our simulations have brought new results to better understand why nanoporous gold is brittle while bulk gold is ductile. In particular, we studied how the catastrophic failure of ligaments occurs by stress transfer between them. In compression we have shown, for example, that pore collapse and the creation of grain boundaries are responsible for the increase of stress at the transition from flow to densification. Tensile and compression tests simulations on the same structures but coated with amorphous silicon show several interesting results. For example, the strength of the structures is increased by a factor of 2 to 4. In addition, the coating has the effect of delocalizing the plasticity, which increases ductility, particularly in tension. In compression, the transition from flow to densification is advanced probably due to the decrease in pore size caused by the coating.

La fatigue induite par chargement cyclique est un mode d'endommagement majeur des métaux. Elle se caractérise par des effets environnementaux et de grandes dispersions de la durée de vie qui doivent être mieux comprises. Les matériaux analysés sont de type cfc : aluminium, cuivre, nickel et argent. Le comportement de marches naturellement créées en surface par le glissement cyclique de dislocations est examiné par simulations en dynamique moléculaire sous vide et sous environnement oxygène pour le cuivre et le nickel. Un phénomène de reconstruction est observé sur les marches en surface, qui peut induire une forte irréversibilité. Trois mécanismes de reconstruction des marches apparues en surface sont observés et décrits. L’irréversibilité de ces marches est ensuite analysé. Elles sont irréversibles pour des chargements expérimentaux, sauf arrivée de dislocations de signe opposé sur un plan de glissement directement voisin.Avec arrivée de dislocations sur des plans non voisins, l'irréversibilité s’accumule cycle par cycle et il est possible de reproduire l’apparition de fissures en surface dont la profondeur augmente graduellement.Un environnement oxygène modifie la surface (début d’oxydation) mais pas l’irréversibilité parce que l’oxygène n’a pas d'influence majeure sur les différents mécanismes liés à l’évolution du relief.Une estimation grossière de l'irréversibilité est faite pour des dislocations coin pures dans une bande de glissement persistante pour les matériaux dits ondulés. On obtient un facteur d’irréversibilité entre 0,5 et 0,75 pour le cuivre, sous vide et sous l’environnement oxygène, en accord avec des mesures récentes en microscopie à force atomique.La propagation de fissures est simulée en environnement inerte. Les fissures peuvent se propager à cause de l'irréversibilité des dislocations générées, liée à leurs interactions allant jusqu’à la création de jonctions. / Fatigue is one of the major damage mechanisms of metals. It is characterized by strong environmental effects and wide lifetime dispersions which must be better understood. Different face centred cubic metals, Al, Cu, Ni, and Ag are analyzed. The mechanical behaviour of surface steps naturally created by the glide of dislocations subjected to cyclic loading is examined using molecular dynamics simulations in vacuum and in air for Cu and Ni. An atomistic reconstruction phenomenon is observed at these surface steps which can induce strong irreversibility. Three different mechanisms of reconstruction are defined. Surface slip irreversibility under cyclic loading is analyzed. All surface steps are intrinsically irreversible under usual fatigue laboratory loading amplitude without the arrival of opposite sign dislocations on direct neighbor plane.With opposite sign dislocations on non direct neighbour planes, irreversibility cumulates cycle by cycle and a micro-notch is produced whose depth gradually increases.Oxygen environment affects the surface (first stage of oxidation) but does not lead to higher irreversibility as it has no major influence on the different mechanisms linked to surface relief evolution.A rough estimation of surface irreversibility is carried out for pure edge dislocations in persistent slip bands in so-called wavy materials. It gives an irreversibility fraction between 0.5 and 0.75 in copper in vacuum and in air, in agreement with recent atomic force microscopy measurements.Crack propagation mechanisms are simulated in inert environment. Cracks can propagate owing to the irreversibility of generated dislocations because of their mutual interactions up to the formation of dislocation junctions.

Au cours des prochaines années, neuf centrales nucléaires de type UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz) devront être démantelées en France. Ces centrales utilisent le graphite comme modérateur et réflecteur de neutrons. Pendant leur exploitation, celui-ci est activé. Leur démantèlement conduira à 23000 tonnes de déchets de graphite irradiés à gérer. Ce travail focalise sur deux radionucléides contenus dans ces déchets : le 36Cl et le 3H. Le 36Cl a l'une des demi-vies les plus longues (301 000 ans). Par contre, le 3H a une demi-vie plus courte (12 ans), mais contribue beaucoup à l'activité initiale des déchets. Différentes données expérimentales suggèrent que le 36Cl et le 3H sont piégés à différents endroits du graphite, comme les boucles de dislocation, les surfaces ou les joints de grains. Le seul mécanisme de migration des radionucléides est le relâchement. Pour cette raison, il est important de comprendre quels sont les pièges et les différentes conditions du relâchement.Le graphite UNGG a une structure complexe, hétérogène et multi-échelle qui diffère du monocristal idéal du graphite. Cependant, pour comprendre les données macroscopiques, les études théoriques à l'échelle nanoscopique et microscopique sont des outils importants, même si elles reposent sur des modèles plus simples. Dans cette thèse, une approche multi-échelle a été utilisée afin d’étudier les interactions des radionucléides avec le graphite ainsi que les mécanismes de diffusion et de piégeage à l'échelle du nm-μm.Les interactions du 3H et du 36Cl avec différents défauts du graphite ont été étudiées dans le cadre de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). L'hydrogène forme une liaison covalente avec le graphite massique ainsi qu'avec ses surfaces (001), (100) et (110). Plusieurs reconstructions de surface ont été explorées. Les résultats montrent que les hypothèses existantes sur le piégeage de l'hydrogène doivent être affinées. Le comportement du Cl est plus complexe. Sa chimisorption est observée sur les surfaces (100) et (110). Cependant, sur la surface (001), le Cl interagit par transfert de charge. Le Cl2 n'interagit que par interactions de van der Waals avec celle-ci. Le Cl2 se dissocie dans le graphite massique.Les diffusions du H et du Cl dans le graphite irradié ont été étudiées en effectuant des simulations de dynamique moléculaire. Les résultats ab initio ont été utilisés pour développer des potentiels de type « bond order » afin de modéliser l'interaction des radionucléides avec la matrice de graphite, qui possède des contributions à court et à long portée. Pour le Cl, un nouveau potentiel a été paramétré qui reproduit toutes les données obtenues au niveau DFT. Pour les interactions 3H-graphite, les potentiels AIREBO/M, pour les interactions C-H, et LCBOP, pour les interactions C-C, ont été utilisés.Pour évaluer l'influence de la structure complexe du graphite UNGG sur le comportement des radionucléides, plusieurs modèles atomiques ont été utilisés pour rendre compte de cette diversité, tels que les surfaces, les joints de grains et les nanopores.Pour le Cl, des simulations d'irradiation ont été réalisées pour une gamme d’énergie allant de 1 à 10 keV et une gamme de température de 200 à 500ºC. Les dépendances à la température et à la direction d'irradiation ont été étudiées. D’une façon générale, les dommages causés par l'irradiation perpendiculaire aux surfaces augmentent avec la température. L'irradiation à des angles d’incidence <90º aux surfaces peut causer plus ou moins de dommages par rapport à l'irradiation perpendiculaire selon le type de surface.Les diffusions du H et du Cl montrent que tous les bords de cristallites avec des liaisons pendantes sont des pièges. Pour le Cl, la diffusion dans le graphite nanoporeux a révélé deux emplacements préférés: les bords des cristallites où le Cl forme une liaison covalente et les coins des microfissures où le Cl interagit par transfert de charge. / In the upcoming years, nine nuclear UNGG (Uranium Naturel Graphite Gaz) power plants will have to be dismantled in France. In these power plants, nuclear graphite was used as a neutron moderator and reflector, and was activated during operation. The dismantlement will lead to 23000 tons of irradiated graphite waste, which will have to be managed. The graphite is classified as a nuclear waste containing radionuclides with low activity and long half-life. Two radionuclides are the focus of this work: 36Cl and 3H. 36Cl has one of the longest half-lives (about 301000 years) among the waste's radionuclides. 3H has a shorter half-life (12 years), but contributes significantly to the waste’s initial activity. Previous experiments suggest that both, 36Cl and 3H, are mainly fixed at different traps in graphite, which are defective structures, such as dislocation loops, surfaces, or grain boundaries. Since the only significant migration mechanism of these radionuclides is release, it is important to understand where the traps are located and the conditions of the release.UNGG graphite has a complex heterogeneous multi-scale structure which differs substantially from an ideal monocrystal of graphite. However, in order to understand macroscopic data, theoretical studies at the nano- and microscopic scale are an important tool to explain underlying phenomena even though they rely on simpler models due to the limitations of computation power. A multi-scale approach was therefore applied to study the local interactions of the radionuclides with graphite as well as diffusion and trapping mechanisms on the nm-μm length scale.First, the interaction of 3H and 36Cl with defects in graphite was studied with density functional theory (DFT). Hydrogen interacts covalently with bulk graphite as well as with the studied surfaces (001), (100), and (110). Several surface reconstructions were investigated: arch-type reconstructions and in-plane reconstructions. The results show that the existing hypothesis on the trapping of hydrogen needs to be refined. The behavior of Cl is more complex. On the (100) and (110) surface chemisorption is observed. However, on the (001) surface a strong charge transfer interaction is observed for Cl. In contrast to that, Cl2 only interacts via weak van der Waals interactions with this surface. In bulk graphite Cl2 dissociates.The diffusion of H and Cl in irradiated graphite has been investigated by performing molecuar dynamics simulations. The ab initio results were used to develop bond order potentials to model the interaction of radionuclides and the graphite matrix, which attributes for short and long range interactions. For Cl, a new potential has been parameterized which is able to describe all aspects obtained with DFT. For the 3H-graphite interactions, the bond order potential AIREBO/M was used for C-H interactions. For C-C interactions the LCBOP potential was used.To evaluate the influence of the complex heterogeneous structure of the UNGG graphite on the radionuclide's behavior, several different atomic models were studied to account for this diversity such as surfaces, grain boundaries and nanopores.For Cl, irradiation simulations of different systems were performed up to an energy of 10 keV for the primary knock-on atom (PKA), and in a temperature range of 200 to 500ºC. The dependence on temperature and irradiation direction was investigated. In general, direct irradiation damage increases with temperature. Irradiation at incident angles <90º can create more or less damage compared to the perpendicular one depending on the surface type.Diffusion of H and Cl along surfaces shows that all crystallite edges with dangling bonds can serve as traps. For Cl, diffusion in nanoporous graphite revealed two preferred locations : First, the crystallite edges where Cl forms strong covalent; second, the corners of microcracks where Cl interacts via charge transfer.

La nature utilise des réactions de transfert de charge (TdC) dans de nombreuses fonctions biologiquesfaisant intervenir des cofacteurs à activité redox, comme les flavines (FAD et FMN). Le TdC dans les protéines s’effectue souvent par la formation d'intermédiaires radicalaires. Les acides aminés tyrosine(TyrOH) et tryptophane sont impliqués comme intermédiaires majeurs. Les radicaux tryptophanyle ont été caractérisés auparavant dans leurs formes protoné et déprotoné. Cependant, les radicaux tyrosyles n'ont été caractérisés que dans la forme neutre et on pensait qu'ils étaient formés par extraction électronique et déprotonation. Les intermédiaires à courte durée de vie sont souvent difficiles à observer dans les réactions biochimiques, mais peuvent être peuplés s'ils sont formés photochimiquement par de courtes impulsions.Nous avons caractérisé des intermédiaires dans des réactions non-fonctionnelles de TdC dans des flavoprotéines en utilisant la spectroscopie femtoseconde de fluorescence et d'absorption. Des états excités et produits formés dans le type sauvage et des formes mutantes de la flavo-enzyme méthyltransférase TrmFO de Thermus thermophilus ont été étudiés. Dans le site actif de cette enzyme, une tyrosine (Tyr343) est empilée sur le cycle isoalloxazine de la FAD, et une cystéine (Cys51) peut former un adduit avec la FAD très fluorescente. Dans le mutant C51A, la fluorescence du FADox est fortement quenchée par transfert d'électrons de la Tyr343 dans ~1 ps. L'état produit résultant présente une caractéristique spectrale distincte avec une forte bande d'absorption à ~490 nm, encore jamais associée à aucune espèce radicalaire, qui a été attribuée pour la première fois au cation radical de la Tyr343 (TyrOH•+). L’état FAD•-TyrOH•+, est de très courte durée car il retombe par recombinaison de charge en ~3 ps.. Cette étude démontre que- malgré le très bas pKa de TyrOH•+ -le transfert d’électrons à partir de la tyrosine peut avoir lieu sans transfert concomitant de proton.De plus, des expériences de photosélection par polarisation ont permi d’estimer, l’orientation du moment dipolaire de la nouvelle transition entre FADox et TyrOH•+ dans le TrmFO C51A à 31°±5°. Ce résultat évalue l'orientation du moment dipolaire au sein du cycle phénolique. La découverte de directions distinctes pour la bande de transition de la flavine excitée et la transition à 490 nm confirme leur origine dans différentes entités moléculaires.Sur la base des résultats de TrmFO, nous avons réexaminé la photochimie de la flavoprotéine modèle glucose oxydase (GOX). Ddes résidus de tryptophane et de tyrosine sont situés proche du FAD et l'évolution du photoproduit à l'échelle picosecondes est plus complexe. Des phases de déclin de l'état excité avec des constantes de temps de 1 et ~4 ps ont été observées, ainsi que des phases pour l'évolution de l'état produit de ~4 ps, ~37 ps et une phase plus longue. Un modèle complet de la séparation et de recombinaison des charges dans GOX impliquant, des radicaux de tyrosine et de tryptophane, ainsi que des différents états redox du FAD a été décrit. Les résultats pour les phases de 4 ps et de 37 ps mettent en évidence l’implication du radical TyrOH•+, avec des caractéristiques semblables au C51A TrmFO. Ce résultat explique des caractéristiques énigmatiques connues et indique l'implication de TyrOH•+ dans divers systèmes protéiques.A ce jour, seul le radical tyrosyle déprotoné TyrO• a été identifié comme intermédiaire fonctionnel dans plusieurs systèmes. La visualisation d'un radical TyrOH•+ dans TrmFO C51A et GOX suggère sa formation intermédiaire en tant que précurseur de TyrO• dans des réactions biochimiques fonctionnelles.Enfin, dans TrmFO, la construction de variantes spécifiques par mutagénèse dirigée a été initiée pour étudier la flexibilité du site actif en utilisant la vitesse de TdC comme marqueur conformationnel. D'autres travaux sont nécessaires pour poursuivre cette voie. / Nature employs charge transfer reactions in many biological functions. Redox-active cofactors like flavins (FAD and FMN) are often implicated in such reactions. Charge transfer in proteins often proceeds via formation of radical intermediates. The amino acid radicals of tyrosine (TyrOH) and tryptophan are thought to play important roles as intermediates in intra- and interprotein charge transfer reactions. Tryptophanyl radicals (both protonated cation and deprotonated neutral forms), had been characterized before. However, tyrosyl radicals had only been characterized in the neutral form, and were thought to be formed by concerted electron extraction and deprotonation of tyrosine. Short-lived intermediates are often difficult to observe in biochemical reactions, but may be populated when they can be photochemically formed using short light pulses.In this work, we have characterized intermediates in non-functional charge transfer reactions in flavoproteins using femtosecond time-resolved fluorescence and absorption spectroscopy. Excited states and product states formed in the wild type and mutant forms of the methyltransferase flavoenzyme TrmFO from Thermus thermophilus were investigated. In the TrmFO active site, a tyrosine (Tyr343), is closely stacked on the FAD isoalloxazine ring and a cysteine (Cys51) can form a highly fluorescent adduct with the FAD. In the mutant C51A, FADox fluorescence is strongly quenched by electron transfer from the Tyr343 in ~1ps. The resulting product state displayed a distinct spectral feature- a strong absorption band at ~490 nm unlike any previously characterized radical species. It was assigned to the radical cation of tyrosine (TyrOH•+) which had never been observed before. The FAD•-TyrOH•+ intermediate, is very short-lived as it decays in ~3ps, through charge recombination. As a general conclusion, despite the very low pKa of TyrOH•+, electron transfer from tyrosine can occur without concomitant proton transfer.Using polarization photoselection experiments, we estimated the dipole moment direction for this new transition. The resultant angle between the excited FADox transition and the probed TyrOH•+ transition in C51A TrmFO was 31º±5º. This result sets the orientation of the dipole moment of the transition in the molecular frame of the phenol ring. The finding of distinct directions for the excited FAD transition band and the 490 nm transition confirms their origin in different molecular entities.Following the results from TrmFO, we reinvestigated the photochemistry in the model flavoprotein glucose oxidase (GOX). Here, both tryptophan and tyrosine residues are located in the vicinity of FAD and the photoproduct evolution on the picosecond timescale is more complex. Distinct phases of excited state decay with time constants of 1ps and ~4ps were observed, as well as phases of ~4ps, ~37 ps and a longer-lives phase for product state evolution. Consequently, a comprehensive model for the involvement of radicals of tyrosine and tryptophan and, the different FAD redox states, in the light-induced charge separation and recombination in GOX was made. Partial involvement of the TyrOH•+ radical cation, spectrally similar to C51A TrmFO, was required for the 4 ps and 37 ps phases to account for the ensemble of data. This result explains previous enigmatic features and indicates the involvement of TyrOH•+ in a variety of protein systems.So far, only the deprotonated tyrosyl radical TyrO• had been observed as a functional intermediate in several systems. The visualization of protonated TyrOH•+ radical in TrmFO C51A and GOX suggests the possibility of its intermediate formation as a precursor of TyrO• in functional biochemical reactions.Finally, in TrmFO the construction of specific variants with site-directed mutagenesis was initiated to study active-site flexibility using electron transfer rates as conformational markers. Further experimental and modeling work is required to pursue this goal.

La spectroscopie de dissociation par absorption de photons infrarouges (IRPD) permet d’obtenir les signatures vibrationnelles d’espèces chargées en phase gazeuse, telles que de petits peptides ou des ions hydratés dans des agrégats d’eau. L’attribution des modes de vibration pour établir une relation entre le spectre expérimental et une structure moléculaire est une tâche délicate et nécessite le recours à la modélisation moléculaire.Ce manuscrit présente un ensemble d’outils théoriques pour le calcul et l’attribution de spectres vibrationnels, basée principalement sur la dynamique moléculaire classique et le champ de forces polarisable AMOEBA, ainsi que son application à des ions gazeux de tailles diverses. Les ions hydratés dans des agrégats d’eau M(H2O)n (n allant de 6 à 100) sont caractérisés par une dynamique importante, et leur spectre expérimental ne peut pas être décrit par une seule structure. La signature des peptides évolue avec la température et les effets d’anharmonicité dynamique. Ils peuvent également être le siège de mécanismes de transfert de proton, présentant une signature vibrationnelle très caractéristique.La surface d’énergie potentielle de ces systèmes est explorée par la dynamique moléculaire classique en trajectoires individuelles ou avec échange de répliques, afin d’engendrer des structures énergétiquement stables. Pour les plus petits systèmes, les méthodes quantiques DFT et post-HF sont utilisées pour confirmer les structures de plus basse énergie, calculer leurs spectres IR statiques et proposer des attributions des modes de vibration. Pour les plus systèmes de plus grandes tailles, c’est-à-dire les ions dans des gouttes d’eau de plusieurs dizaines de molécules, la simulation des spectres IR à température finie est basée sur la transformée de Fourier de la fonction d’autocorrélation du moment dipolaire (DACF), calculée pour une trajectoire de dynamique moléculaire classique. Cette méthode n’offrant pas d’accès direct aux modes normaux de vibration, nous avons implémenté une méthode d’attribution dynamique, basée sur la Driven Molecular Dynamics (DMD) et couplée au DACF. La combinaison AMOEBA/DACF/DMD a été utilisée pour reproduire et attribuer le spectre du dipeptide Ace-Phe-Ala-NH2, et ceux d’ions hydratés dans des agrégats d’eau.Enfin, la signature vibrationnelle d’un transfert de proton ne peut être décrite, ni par des méthodes statiques quantiques, ni par la dynamique classique. Sa modélisation a nécessité le développement d’un modèle Empirical Valence Bond (EVB) à deux états, couplé au champ de forces polarisable AMOEBA. Le modèle EVB a été implémenté dans la suite logicielle Tinker. Il permet de reproduire le comportement dynamique du transfert de proton au sein de petits peptides et de diacides déprotonés, ainsi que la signature spectroscopique observée expérimentalement.Une partie importante des applications de ces développements concerne des ions simples hydratés dans des nano-gouttelettes, et en particulier l’ion sulfate de grande importance environnementale. Nous avons pu reproduire de façon satisfaisante, pour la première fois, les spectres d’agrégats contenant jusqu’à 100 molécules d’eau. Le principal contributeur à cette spectroscopie expérimentale est l’équipe d’E. Williams à l’université de Californie à Berkeley. Nous avons établi avec eux une collaboration pour compléter ce travail en modélisant les spectres IR d’ions sulfates hydratés [SO4(H2O)n=9-36]2-, dont ils ont obtenu les signatures expérimentales. / Spectroscopy dissociation by absorption of infrared photons (IRPD) provides vibrational signatures of charged species in the gas phase, such as small peptides or hydrated ions in water clusters. The vibrational normal modes assignment to establish a relationship between the experimental spectrum and molecular structure is a delicate task and requires the use of molecular modeling.This manuscript presents a set of theoretical tools for calculation and assignment of vibrational spectra, based mainly on classical molecular dynamics and polarizable AMOEBA force field, and its application to gaseous ions of various sizes. Hydrated ions in water clusters M(H2O)n (n in 6-100 range) are characterized by a dynamic behavior, and their experimental spectrum can not be described by a single structure. The signature of peptides changes with temperature and dynamic anharmonicity effects. They can also be the site of proton transfer mechanisms, with a very characteristic vibrational signature.The potential energy surface of these systems is explored by classical molecular dynamics in individual trajectories or replica exchange to generate energetically stable structures. For smaller systems, quantum methods, as DFT and post-HF, are used to confirm the lowest energy structures, calculate their static IR and propose normal modes assignments. For larger systems, i.e ions in water drops of several tens of molecules, the simulation of IR spectra at finite temperature is based on the Fourier transform of the autocorrelation function of the dipole moment (DACF), calculated during a classical molecular dynamics trajectory. As this method does not allow direct access to the vibrational normal modes, we implemented a method of dynamic assigments, based on the Driven Molecular Dynamics (DMD) and coupled to the DACF. The combination AMOEBA /DACF / DMD was used to reproduce and assign the spectrum of the dipeptide Ace-Phe-Ala-NH2, and those of hydrated ions in water clusters.Finally, the vibrational signature of a proton transfer can not be described by quantum static methods or by classical dynamics. Its modeling required the development of a two states Empirical Valence Bond Model (EVB), coupled with AMOEBA polarizable force field. The two states EVB model was implemented in the software TINKER. It can reproduce the dynamic behavior of proton transfer in small peptides and deprotonated acids, as well as the spectroscopic signatures observed experimentally.An important part of the applications of these developments relates simple hydrated ions in nano-droplets, and in particular the sulfate ion of great environmental importance. We were able to reproduce satisfactorily, for the first time, the spectra of clusters containing up to 100 water molecules. The main contributor to this experimental spectroscopy is the team of E. Williams from the University of California of Berkeley. We have established cooperation with them to complete this work by modeling the IR spectra of hydrated sulfates ions [SO4(H2O) n=9-36]2-, for which they obtained experimental signatures.