Depuis sa mise sur le marché à la fin des années 70, le Cisplatin est devenu l’un des pricipaux agents de chimiothérapie anticancéreuse. Actuellement, les composés à base de platine sont présents dans la majorité des coktails de chimiothérapie. Cependant, malgré leur succès clinique, ces composés présentent de nombreux inconvenients comme par exemple de nombreux et graves effets secondaires. Une des stratégies envisagées pour parer à ces défauts a été de remplacer le platine par d’autres métaux de transition. Parmi les différents métaux possibles, l’or est apparu comme particulièrement prometteur. En effet, les propriétés pharmacologiques de l’or sont bien connues depuis des siècles, et aujourd’hui encore certains complexes d’or sont utilisés comme agents anti-arthritiques. Plus récement, il a été démontré que les complexes d’or étaient actifs sur des lignées cellulaires cancéreuses résistantes au Cisplatin. Parmi les différentes classes de composés à base d’or synthétisées et testées, certaines familles de complexes organométalliques tel que les carbènes N-hétérocycliques, les complexes à ligands cyclométallés ou alkynyl ont attiré un intérêt tout particulier à cause de leur grande stabilité en milieu physiologique.Dans le présent manuscrit, nous avons présenté la synthèse de différents types de de complexes à base d’or incluant des carbènes N-hétérocycliques d’or(I), des complexes « bifonctionnels » d’or(I) basés sur le lansoprazole, des complexes (C^N) cyclométalés d’or(III) ainsi que des complexes homo- et hétérobimétalliques présentant un motif or(I)-NHC. Les différents composés ont été testés sur des panels de lignées cellulaires cancéreuses humaines et les résultats ont été comparés à un modèle de cellules rénales humaines saines. Nous avons effectué différentes études mécanistiques pour tenter d’élucider le possible mécanisme d’action de ces composés. Ces investigations ont inclus des études de toxicité sur des tissus sains ex vivo utilisant des tranches de tissus coupés avec précision ainsi que l’identification de possible cibles intracellulaires. Nous avons étudié deux possibles enzymes cibles : la thiorédoxine réductase et la poly(ADP-ribose) polymérase 1 ainsi qu’une structure non-usuelle de l’ADN : la structure G-quadruplexe. L’internalisation cellulaire de certains composés fluorescents a aussi été étudiée par microscopie confocale. Parmi les différents composés testés, certains ont montré une sélectivité pour les cellules cancéreuses qui mérite une étude plus approfondie. / Currently, platinum-based compounds are present in the majority of the chemotherapeutic cocktails. However, despite their clinical success, platinum-based drugs present several limitations including numerous and severe side effects. A strategy envisaged to overcome these limitations is the replacement of platinum by other transition metals. Among the different metals tested over the years, gold compounds have been shown to be promising as they can overcome resistance to cisplatin due to their different modes of action.In the present thesis, we present the synthesis of different types of gold-based complexes including gold(I)-N-heterocyclic carbenes (NHC), (C^N) cyclometalated gold(III) complexes as well as heterobimetallic complexes bearing a gold(I)-NHC moiety. These compounds show higher stability in a physiological environment compared to classical platinum complexes The different compounds have been tested in panels of human cancer cell lines and a model of human healthy kidney cells. Moreover, “bifunctional” lansoprazole-based gold(I) complexes were also evaluated for their biological properties in vitro. On selected compounds we also performed mechanistic studies to try to elucidate their possible mechanisms of action. Specifically, we investigated two possible enzyme targets: thioredoxin reductase and poly(ADP-ribose) polymerase 1, as well as DNA G-quadruplexes. The cellular uptake of some fluorescent compounds was also studied using confocal microscopy techniques. In a few cases, we also assessed their toxicity ex vivo in rat healthy tissues using the precision-cut tissue slices technique. Among the twenty gold-based compounds we synthesized, two of them presented interesting selective toxicity for cancer cells compared to healthy cells and tissues and deserve further investigations as potential anticancer drugs.

Single-molecule localisation microscopy (SMLM) allows imaging of fluorescently-tagged proteins in live cells with a precision well below that of the diffraction limit. As a single-molecule technique, it has also introduced a new quantitative approach to fluorescence microscopy. In the Part A of this thesis, the design and building of three SMLM instruments, the implementation of a custom-developed image analysis package and the characterisation of the photo-physical properties of the photo-activable fluorescent protein used in this thesis (mEos), are discussed. Then, a new post-processing method for SMLM analysis is characterised: axial optical sectioning of SMLM images is demonstrated by thresholding fitted localisations using their fitted width and amplitude to reject fluorophores that emit from above or below a virtual ?light-sheet?, a thin volume centred on the focal plane of the microscope. This method provides qualitative and quantitative improvements to SMLM. In the Part B of this thesis, SMLM is applied to study T cell activation. Although the T cell receptor plays a key role in immunity, its stoichiometry in the membrane of resting T cells is still a matter of debate. Here, single-molecule counting methods are implemented to compare the stoichiometry of TCRs fused with mEos2 in resting T cells to monomeric and dimeric controls. However, because of the stochasticity of mEos2 photo-physics, results are inconclusive and new counting techniques based on structural imaging are discussed. In addition to TCR triggering, T cells require the co-stimulatory triggering of the CD28 transmembrane receptor to become fully activated. However, some immobilised anti-CD28 antibodies, referred to as super-agonists (SA), can directly activate T cells without triggering the TCR. In this thesis, single-molecule tracking techniques are used to investigate the molecular mechanism of CD28 super-agonism in live T cells. The results indicate that the diffusion of CD28 is slowed by SA binding. This effect is further discussed in light of the kinetic-segregation model proposed for TCR triggering. Quantitative SMLM as implemented and further developed in this work offers new tools to investigate the molecular mechanisms initiating T cell activation, ultimately facilitating the discovery of novel approaches to target these pathways for therapeutic purposes.

Click chemistry is a molecular synthesis strategy based on reliable, highly selective reactions with thermodynamic driving forces typically in excess of 20 kcal mol-1. The 1,3-dipolar cycloaddition of azides and alkynes developed by Rolf Huisgen saw dramatic rate acceleration using Cu(I) as a catalyst in 2002 reports by Barry Sharpless and Morten Meldal enabling its click chemistry eligibility. Since these seminal reports, the copper(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) has become the quintessential click reaction finding diverse utility. The popularity of the CuAAC has naturally led to interest in new catalyst systems with improved efficiency, robustness, and reusability with particular focus on nanomaterial catalysts, a common trend across the field of catalysis. The high surface area of nanomaterials lends to their efficacy as colloidal and heterogeneous nanocatalysts, but the latter boasts the added benefit of easy separation and recyclability. With any heterogeneous catalyst, a common question arises as to whether the active catalyst species is truly heterogeneous or rather homogeneous through metal ion leaching. Differentiating these processes is critical, as the latter would result in reduced efficiency, higher cost, and inevitable environmental and heath side effects. This thesis explores the CuAAC from an interdisciplary approach. First as a synthetic tool, applying CuAAC-formed triazoles as functional, modular building blocks in the synthesis of optical cation sensors by combining azide and alkyne modified components to create a series of sensors selective for different metal cations. Next, single-molecule spectroscopy techniques are employed to observe the CuNP-catalyzed CuAAC in real time. Combining bench-top techniques with single-molecule microscopy to monitor single-catalytically generated products proves to be an effective method to establish catalysis occurs directly at the surface of copper nanoparticles, ruling out catalysis by ions leached into solution. This methodology is extended to mapping the catalytic activity of a commercial heterogeneous catalyst by applying super-localization analysis of single-catalytic events. The approach detailed herein is a general one that can be applied to any catalytic system through the development of appropriate probes. This thesis demonstrates single-molecule microscopy as an accessible, effective, and unparalleled tool for exploring the catalytic activity of nanomaterials by monitoring single-catalytic events as they occur.

L’objectif de cette thèse est l’élaboration de sondes à base de lanthanide pour la microscopie optique biphotonique. Cette technique d’imagerie complémentaire à l’IRM et au scanner permet une analyse rapide et facile de tissus épais. Afin de permettre l’observation en profondeur, l’absorption et l’émission de la sonde doit se situer dans la zone de transparence biologique [700 – 1200 nm]. L’absorption à deux photons (ADP) est un phénomène d’optique linéaire de troisième ordre par lequel l’état excité est atteint par absorption simultanée de deux photons. De fait, l’excitation à énergie moitié se situe dans la zone de transparence biologique. Les sondes envisagées combineraient les propriétés optiques uniques des lanthanides, telles que des bandes d’émission très étroites allant du visible à l’infrarouge et des durées de vie de luminescence longues, et les avantages de l’ADP, permettant une excitation dans l’IR et une résolution tridimensionnelle. Dans ce contexte, cette thèse décrit l’élaboration de complexes d’europium et d’ytterbium à ligands macrocycliques stables en milieu aqueux et dont la luminescence peut être sensibilisée à deux photons. Ces complexes ont permis l’imagerie de la vascularisation de cerveaux de souris par microscopie biphotonique dans le proche infrarouge. La seconde approche consiste à encapsuler un complexe luminescent dans des nanoparticules desilice formées par la technique sol-gel (collaboration A. Ibanez, institut Néel, Grenoble) afin de protéger le complexe du milieu biologique. Enfin la dernière approche consiste à greffer des complexes de lanthanides à la surface d’une particule de silice par chimie organométallique de surface. Ces travaux ont conduit à la formation de nano-objet très brillants dans le rouge et le proche infrarouge, détectables à l’échelle de l’objet unique par microscopie à deux photons. / Two Photon Scanning Laser Microscopy (TPSLM) has evolved as an emerging bio-imaging technique widely used in academic research and in medical diagnosis. This technique requires the design of bioprobes specially optimized for such purpose. A particular attention is actually devoted bio-probes featuring both two-photon absorption (TPA) and emission in the near infra-red (NIR) spectral range [700 – 1200 nm], also called biological window that is particularly promising for thick tissues imaging. In this context, europium complexes emitting in the red (615 nm) has been recently sensitized by two photon antenna effect and used for TPSLM in cells combining the advantages of lanthanide emission (sharp line and long lived) and those of TPA. Based on this preliminary results, this thesis describe the design of europium and ytterbium complexes which have an improved stability in water and good emission properties sensitized by TPA. Theses complexes allow the imaging of mice’s brain vascularisation in the NIR. An another approach to stabilize lanthanide complexes was also used by encapsulating theses fluorophores in silica nanoparticle (collaboration with A. Ibanez, Institut Néel, Grenoble). Then the last approach consists on the grafting of the chromophores on silica sphere using surface organometallic chemistry methods. The nanoparticles obtained by both way are really luminescent in the red or infrared and can be imaged as single nanoparticle by TPSLM.

La maturation des fruits est un processus complexe, principalement régulé par l'hormone végétal éthylène, qui entraîne d'importants changements métaboliques et physiologiques, ayant pour résultat la dispersion des graines. Le changement le plus visible qui se produit pendant la maturation des fruits est le changement de couleur. L'organite responsable de ce phénomène est le chromoplaste, lieu d’accumulation des caroténoïdes. Toutefois, ce n'est pas son unique rôle. Il a été montré qu’il est aussi impliqué dans la biosynthèse des lipides, de l’amidon, des vitamines et des arômes. Parce que la plupart des protéines (95%) qui composent le protéome du chromoplaste sont codées par le noyau, l’approche génomique n'est pas suffisante pour connaître les fonctions de chromoplaste dans la synthèse des métabolites d'intérêt. La protéomique de haut débit associée à la bio- nformatique a été utilisée pour caractériser le chromoplaste de tomate. L’analyse du protéome de chromoplastes de fruits de tomate rouges a révélé la présence de 988 protéines correspondantes à 802 unigènes d’Arabidopsis, dont 209 n’ont pas été répertoriés jusqu'à présent dans des banques de données plastidiales. Ces données ont révélé plusieurs caractéristiques du chromoplaste. Les protéines du métabolisme des lipides et de trafic sont bien représentées, y compris toutes les protéines de la voie de la lipoxygénase nécessaire à la synthèse des arômes volatiles dérivés de lipides. Les protéines impliquées dans la synthèse de l'amidon coexistent avec plusieurs protéines qui dégradent l'amidon. Les chromoplastes ne contiennent plus les protéines de biosynthèse de la chlorophylle mais contiennent des protéines impliquées dans la dégradation de la chlorophylle. Aucun des protéines impliquées dans le mécanisme de transport thylacoïdal n’ont été trouvées. Étonnamment, les chromoplastes contiennent l'ensemble des protéines du cycle de Calvin, y compris la Rubisco, ainsi que la voie des pentoses phosphates (OxPPP). L'analyse de l'évolution du transcriptome des gènes codant pour des protéines chromoplastiques a été réalisée. Ces données ont confirmé la réduction de la photosynthèse et le maintien du cycle de Calvin, ainsi que la biosynthèse de l'amidon et des lipides. Des analyses biochimiques complémentaires ont montré dans des chromoplastes isolés la présence d’une activité de deux enzymes importantes dans la biosynthèse des arômes (lipoxygénase et l'alcool déshydrogénase). Par ailleurs, à l’aide du couplage de protéines à la GFP et à leur expression dans des protoplastes, nous avons montré que des protéines ne présentant pas de peptide signal peuvent être localisées dans le chromoplaste. Enfin, un protocole d'isolement des plastes de fruits de tomate à différents stades de maturation a été mis au point et les fractions plastidiales ainsi obtenues ont été caractérisées par la microscopie confocale à balayage laser. La transition du chloroplaste à chromoplaste est un processus qui n'a jamais été décrit par la protéomique. Ce travail est en cours et devrait répondre à certaines questions concernant les changements qui ont lieu dans l'organite, et apporter des informations nouvelles pour la compréhension de la maturation des fruits. / Fruit ripening is a complex process, mainly regulated by the fruit hormone ethylene, resulting in significant metabolic and physiological changes, having as outcome seed dispersal. The most flagrant change taking place during ripening is the change in color. The organelle responsible for this is the chromoplast, the place of carotenoids accumulation. However this is not its unique role. It was found to be involved in lipid, starch, vitamins and aroma biosynthesis. Due to the fact that most proteins (95%) composing the chromoplast are codified by the nucleus knowledge on gene expression and genome sequences is not useful in the investigation of the functions of chromoplast in the synthesis of the metabolites of interest. High- hroughput proteomics associated with bio-informatics was used to characterize the tomato chromoplast and to reveal its intimate structure. Analysis of the proteome of red fruit chromoplasts revealed the presence of 988 proteins corresponding to 802 Arabidopsis unigenes, among which 209 had not been listed so far in plastidial data banks. These data revealed several features of the chromoplast. Proteins of lipid metabolism and trafficking were well represented, including all the proteins of the lipoxygenase pathway required for the synthesis of lipid-derived aroma volatiles. Proteins involved in starch synthesis co- xisted with several starch-degrading proteins and starch excess proteins. Chromoplasts lacked proteins of the chlorophyll biosynthesis branch and contained proteins involved in chlorophyll degradation. None of the proteins involved in the thylakoid transport machinery were discovered. Surprisingly, chromoplasts contain the entire set of Calvin cycle proteins including Rubisco, as well as the oxidative pentose phosphate pathway (OxPPP). The analysis of the evolution of the transcriptome of chromoplastic protein-encoding genes was performed. This data confirmed the reduction of the photosynthesis and the maintenance of the Calvin cycle, and of the lipid and starch biosynthesis. Further analysis is performed showing the activity of two important actors in the aroma biosynthesis (lipoxygenase and alcohol dehydrogenase). Several proteins with possible chromoplastic location were coupled with the GFP and expressed in the single cell system. A protocol for isolating tomato fruit chloroplasts and immature chromoplasts was described along with the characterization of the plastidial fractions by confocal microscopy. The transition of the chloroplast to chromoplast is a process that was never described by means of proteomics. This work answers some questions regarding the changes that take place in the organelle, and brings novel information for the understanding of fruit ripening process

Les piles à combustible microbiennes, en tant que biotechnologie potentiellement durable, peuvent assurer la conversion directe de la matière organique en électricité en utilisant des biofilms bactériens comme biocatalyseurs. Dans un context politique où les législations françaises et européennes favorisent et imposent la revalorisation des déchets organiques provenant des industries ou des collectivités territoriales, les biopiles microbiennes semblent un moyen peu couteux et prometteur pour répondre à ce besoin. Cette thèse a pour objectif d'améliorer les connaissances sur la formation des biofilms électroactifs à la surface de l'anode, et de comprendre les mécanismes impliqués dans la compétition entre les bactéries électroactives et les autres communautés bactériennes dans le but d'améliorer la sélection des bactéries électroactives dans le biofilm anodique. Une attention particulière sera portée sur les forces de cisaillement comme un outil de control de la formation des biofilms anodiques. Ces recherches ont pour but à long terme d'améliorer la production d’électricité produite par les biopiles microbiennes, et plus particulièrement d’améliorer les performances du compartiment anodique, en vue d’appliquer cette technologie dans les stations d’épurations pour la réduction du coût énergétique du traitement des eaux usées. A travers cette thèse, différents points sur la dynamique des communautés bactériennes lors de la formation du biofilm ont été mis en évidence. La formation du biofilm est divisée en deux étapes. Dans un premier temps, les bactéries électroactives (EAB) non spécifiques se développent dans toutes les biopiles, produisant ou non de l'électricité et dans le milieu liquide comme sur l’anode. Les EAB spécifiques deviennent ensuite plus compétitives et prédominantes mais seulement dans les biopiles produisant de l'électricité et seulement dans le biofilm anodique. Cette deuxième étape correspond à une augmentation exponentielle de la production d'électricité. A partir de ces résultats, nous émettons l'hypothèse qu'une inhibition de la première étape devrait diminuer la compétition entre les EAB non spécifiques et spécifiques au cours de la colonisation anodique, et favoriser la croissance des EAB spécifiques dans le biofilm. Nous proposons d'utiliser la contrainte de cisaillement pour sélectionner les EAB spécifiques pendant l'étape d'adhésion en détachant les EAB non spécifiques. Dans un premier temps, pour cette étude, des biopiles avec une configuration de chambre à écoulement de cisaillement ont été conçues, construites et mises en place. Les résultats démontrent que sous une contrainte de cisaillement élevée, l'abondance des EAB spécifiques telle que Geobacter était très élevée, jusqu'à 30,14% en opposition à une contrainte de cisaillement faible où l'abondance relative était inférieure à 1%. En outre, la contrainte de cisaillement diminue le pourcentage de couverture de la surface anodique, ce qui montre que la sélection des EAB spécifiques se produit en détachant d'autres bactéries. Ainsi, la contrainte de cisaillement pourrait être utilisée pour sélectionner les EAB spécifiques durant les premières étapes d’adhésion. Enfin, l'effet de la contrainte de cisaillement sur la sélection microbienne au cours de la croissance du biofilm a été étudié. Ces résultats confirment les conclusions précédentes: les EAB spécifiques sont sélectionnées lorsque les contraintes de cisaillement sont plus élevées. Ce travail démontre le rôle majeur des contraintes de cisaillement dans la formation du biofilm L'utilisation de contraintes de cisaillement pourrait être un moyen de contrôler la sélection des EAB et la quantité de matières mortes dans les biofilms anodiques. C’est un facteur qui devrait être pris en compte dans l’architecture et la mise en place des réacteurs / Microbial fuel cells (MFCs), as a potentially sustainable biotechnology, can directly convert organic matter into electricity by using bacterial biofilms as biocatalysts. In a political context where European legislation favors and imposes the revalorization of organic waste from industries, MFC seems an inexpensive and promising technology to meet this need. The aim of this thesis is to improve knowledge of the formation of electroactive biofilms on the anodic surface, and to understand the mechanisms involved in the competition between electroactive bacteria (EAB) and other bacteria. Special attention will be paid to shear force as a tool to control the formation of anodic biofilms. First, bacterial successions have been studied under stationary conditions and in standard laboratory configurations. The results show that the formation of the biofilm is divided in two stages. At first, non-specific EAB grow in all MFCs, producing or not electricity. Then, specific EAB become predominant only in MFCs producing electricity and is associated to an exponential increase of electricity. From these results, we hypothesize that inhibition of the first step should decrease the competition between nonspecific and specific EAB. We propose to use the shear stress to select specific EAB during the adhesion. First, MFCs with a shear stress flow chamber configuration were designed, constructed and set up. The results show that the proportion of specific EAB such as Geobacter was higher, up to 30.14% as opposed to a lower shear stress (less than 1%). Then, the effect of shear stress on microbial selection during biofilm growth was studied. These results confirm the previous conclusions: specific EAB are selected when shear stress is higher. This work demonstrates the major role of shear stress in biofilm formation and could be a way to control the selection of EAB. This factor should be taken into account in the architecture and implementation of the reactors

This diploma thesis deals with the study of film formation in compliant contact. Primary attention is dedicated to the influence of the entrainment speed and slide-to-roll ratio (SRR) on the central film thickness. Based on a research study of the available experimental methods, the fluorescence microscopy was used to achieve the aim of the work. Experiments were realized in ball-on-disk configuration. Firstly, a validation of the method was performed where the solid contact of the ceramic ball and the glass disk was analyzed. Since the measured values were in a good agreement with the theoretical prediction, a ball of NBR rubber material, which is commonly used for production of lip seals and o-rings, was subsequently used. The experimental measurements were performed under pure rolling and rolling/sliding conditions when the entrainment speeds varied in the range from 10 to 400 mm / s. A constant load of 0.2 N was applied. The measured data were then compared to the theoretical predictions for compliant contacts. The results showed that the thickness of the lubricating film gradually increases with increasing entrainment speed, which corresponds to theoretical assumption. Against expectations, evident influence of SRR on the film formation has been observed. In the last part of the thesis the measured data are confronted with previously published studies. Finally, some limitations of this study are discussed and recommendations for further improvement of the used experimental method are suggested.

The aim of this thesis was to investigate the penetration features of the hydrofobized hyaluronic acid – based polymeric micelles using Nile red as carried tracer. Furthermore, to implement basic characterization of polymeric micelles for potential cosmetic applications using Coenzyme Q10 (CoQ10) as carried substance. It was found that the size of the polymeric micelles with carried CoQ10 did not exceed 100 nm. Applied delivery systems based on hydrophobic hyaluronic acid were suitable for potential topical application. Delivery systems with Nile Red as carried tracer demonstrated excellent penetration features. We assume that delivery systems with CoQ10 will exhibit similar penetration features. An issue has appeared whether the carrier breaks or proceeds along with NR to the skin. Moreover, another experiments have been designed which could also verify the penetration features of these systems.

The aim of this work is to make a literature search in the measurement of membrane voltage using voltage-sensitive dyes and suggest a method for measuring the membrane voltage on the available cells using the voltage-sensitive dye di 4 ANEPPS and its further implementation. The work contains an introduction to electrophysiology of cells, and explains typical fluorescence characteristics. The thesis contains the description of a fluorescence microscope. The document presents characteristics of voltage-sensitive dyes and their distribution. A large part of the work describes the implementation and measurement of the experiment. The document also includes different methods for measuring and processing of all results.

This master´s thesis discusses cytotoxicity of selected naphthoquinones on prostatic cell cultures. The introductory part is dedicated to general characteristic of naphthoquinones with focus on their cytotoxicity, testing of cytotoxicity and mechanisms of cytotoxicity. This part is followed by chapters about cytotoxicity, characteristics and biological activities of selected naphthoquinones; plumbagin and naphthazarin. The last part of this thesis’ theoretical section speaks about fluorescence microscopy and its use in research of naphthoquinones cytotoxicity. The practical part is dedicated to evaluation of cytotoxical tests’ results and to analysation of pictures of cells obtained by fluorescence microscope. At the end of thesis, all finding are summarized and put in the context.