Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le cadre de cette étude est le coût énergétique lié à la production des Microfibrilles de Cellulose (MFC) qui est aujourd’hui un facteur limitant à son développement à l’échelle industrielle. Le but de cette étude est de caractériser les interactions cellulose/hémicellulose au sein de ces systèmes.Des MFC provenant de différentes pâtes à papier chimiques ont été caractérisées par RMN du solide afin d’obtenir des informations à l’échelle moléculaire. Suite à l’optimisation d’un protocole expérimental, les hémicelluloses contenues dans les MFC issues de pâte kraft de bouleau ont ensuite été extraites avec un rendement de 60% et sont composés uniquement d’un homopolymère de xylan de DP 75.La turbidimétrie a été utilisée pour qualifier la qualité des suspensions, dont il a été montré qu’elle dépend fortement du procédé de mise en pâte et du séchage. Des corrélations positives ont été établies entre l’état de dispersion et les propriétés mécaniques de feuilles de papier additionnées de microfibrilles. L’analyse RMN de modèles biomimétiques reconstitués a confirmé le changement de conformation du xylan lorsqu’il est adsorbé sur la cellulose et les mesures de surface spécifique ont montré que seule la couche de xylan en contact avec la cellulose était concernée par ce changement.Les interactions cellulose/xylane ont été étudiées par RMN du solide et par dynamique moléculaire atomistique (MD). Les simulations MD ont montré que le xylan s’adsorbe parallèlement aux chaines de cellulose. Des mesures d'interaction sur ce système ont conduit à une mesure d'énergie de 9kJ/résidu de xylose.Des tests de mesure d’adhésion ont également été réalisés à partir d’un modèle trois couches constitué de xylan entre deux films de cellulose et une forte adhésion a pu être observée.L’utilisation de xylanase comme prétraitement est proposé pour améliorer la production des MFC. / The study was motivated by the necessity to reduce the high energy costs of Micro-Fibrillated Cellulose (MFC) production, which is a limiting factor for its industrial development and aimed at understanding the cellulose/hemicelluloses interaction within this system. MFC resulting from different chemical pulps were characterized by solid-state NMR spectroscopy to get information on the hemicelluloses content and molecular conformation. By optimizing an extraction protocol, more than 60% of the residual hemicelluloses were extracted from birch kraft MFC and characterized as a high purity homopolymer of β-1,4 linked xylan of DP 75.Turbidimetry was used to qualify the quality of the suspensions, which strongly depended on the pulping and drying history. Positive correlations between the state of dispersion, specific surface and mechanical properties of MFC-reinforced handsheets were evidenced.Cellulose/xylan interactions were investigated using solid-state NMR and atomistic molecular dynamics (MD) simulation. NMR spectra confirmed that xylan in contact with cellulose altered its conformation, from the three-fold helix to a presumable cellulose-like two-fold one. In combination with specific surface area measurements, the conformational change was shown to happen only for the first layer of xylan adsorbed in direct interaction with the cellulose surface. MD simulations showed that adsorbed xylan tends to align parallel to the cellulose chain direction fully extended. Interaction energy between xylan chain and cellulose surface estimated with MD was 9kJ/xylose. Then a three-layers system made of xylan between two cellulose films were built to perform adhesion tests that showed strong adhesion between xylan and cellulose surfaces. Xylanase was proposed as a pulp pretreatment for MFC production.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

The sujet de cette these portait sur la caractérisation de la machinerie originale utilisée par les Mimiviridae pour glycosyler les fibrilles entourant leurs capsides en travaillant sur les prototypes des 3 lignées connues, Mimivirus (A), Megavirus chilensis (B) et Moumouvirus australensis (C). Les fibrilles de Mimivirus sont décorées par 2 polysaccharides différents :l’un est caractérisé par la répétition d’un disaccaride linéaire fait de 3)-α-L-Rha-(1→3)-β-D-GlcNAc-(1→, avec un pyruvate branché en position 4,6 du GlcNAc ; l’autre présente une unité répétée branchée de séquence 2)-α-L-Rha-(1→3)-β-D-GlcNAc-(1→ pour le squelette linéaire et du rhamnose branché en position 3 par de 2OMeVioNAc. Nous avons suggéré que les fibrilles de Megavirus sont décorées par plus d'une espèce de polysaccharides/oligosaccharides, donc l’un ayant présentant un trisaccharide de RhaNAc:α-L-4OMe-RhaNAc-(1→3)-α-L-RhaNAc-(1→3)-α-L-RhaNAc-(1→. Les fibrilles de Moumouvirus sont décorées de glucosamine, quinovosamine et bacillosamine. A partir de ces données expérimentales il devenait possible de rechercher de nouveaux gènes responsables de ces glycosylations spécifiques. Le cluster de 9 gènes déjà publié de Mimivirus a pu être étendu à 13 gènes. Un cluster de 14 gènes a été d’autre part identifié dans le génome de Moumouvirus, le premier cluster de gènes de la glycosylation identifié dans la lignée B. Parmi les gènes de glycosylation, l’analyse fonctionnelle in vitro de la protéine L142 a permis de démontrer qu’il s’agit d’une N-acétyltransferase. En conclusion, les fibrilles des Mimiviridae sont lourdement glycosylées and le type de sucres et leur organisation dépend de la lignée considérée. / The aim of this thesis is the study of the innovative glycosylation machinery used by the Mimiviridae family for the glycosylation of the fibrils sourrounding their capsid, using Mimivirus, Moumouvirus australensis and Megavirus chilensis as prototypes of lineages A, B and C, respectively. Mimivirus fibrils are decorated with two distinct polysaccharide: one is characterized by a linear disaccharide repeating unit made of 3)-α-L-Rha-(1→3)-α-D-GlcNAc-(1→, with a pyruvic acid branched at position 4,6 of GlcNAc.; the other has a branched repeating unit with the sequence 2)-α-L-Rha-(1→3)-β-D-GlcNAc-(1→ in the linear backbone and rhamnose further branched at position 3 by viosamine methylated at position 2 and acetylated at position 4. We suggested that Megavirus chiliensis fibrils are decorated by more than one polysaccharides/oligosaccharide species, one having this trisaccharide: α-L-4OMe-RhaNAc-(1→3)-α-L-RhaNAc-(1→3)-α-L-RhaNAc-(1→. Moumouvirus australensis fibrils are decorated with glucosamine and quinovosamine in addition to the rare sugar, bacillosamine. Starting from this experimental data, it was possible to identify new genes involved in glycosylation. As a result, the published nine-gene cluster of Mimivirus was extended to thirteen genes. A different cluster of fourteen genes was identified in Moumouvirus australensis, representing the first glycosylation gene cluster identified for the B lineage.Among the glycosylation genes, the function of L142 was investigated in vitro, demonstrating that it is an N-acetyltransferase. To conclude, the fibrils of Mimiviridae are heavily glycosylated and the type of sugars and their organization depends on their lineage.

Nous étudions, dans une approche expérimentale et théorique, les mécanismes de séparation et de rupture lors de la traction d'un matériau confiné entre deux plaques parallèles (test de probe-tack). Cette étude est menée sur deux matériaux choisis pour leur comportement rhéologique de liquides viscoélastiques : une huile de silicones de grande masse, d'une part, et les mélanges d'une huile de silicones de faible masse avec des nanoparticules (à base de silice) en proportions variées, d'autre part. <br /> L'étude réalisée sur le premier matériau a permis de mettre en évidence qu'outre la digitation et la cavitation, mécanismes de rupture observés sur des liquides newtoniens, un mécanisme de fracture peut également apparaître, la fracture étant localisée à l'interface entre la plaque solide et le matériau viscoélastique. Un modèle théorique, faisant notamment intervenir la cinétique de cavitation, a été élaboré pour interpréter la succession de ces mécanismes et décrire les courbes de traction. Le bon accord entre les prédictions et les résultats expérimentaux valide l'importance du rôle de la cinétique et nous permet d'expliquer l'apparition de fractures malgré la croissance préalable de cavités.<br /> Le second système étudié provient de la déformulation d'adhésifs industriels. Nous avons tout d'abord étudié l'influence de la proportion en particules sur la rhéologie des mélanges. Nous avons observé une évolution des paramètres rhéologiques, que nous avons comparée à l'évolution de l'adhésion des mélanges. Nous avons ainsi pu corréler la présence d'un second plateau de force, observé fréquemment pour de véritables adhésifs, au taux de particules dans le matériau. Enfin, cette étude nous a permis de proposer la voie de rupture optimale pour un matériau adhésif.

Les synucléionopathies représentent un groupe de maladies neuro-dégénératives incurables du système nerveux central. Elles regroupent entre autres la maladie de Parkinson, l’atrophie multi-systématisée et la maladie à corps de Lewy. Toutes ces maladies se caractérisent par un déclin progressif des fonctions motrices, cognitives, comportementales et autonomiques. La mal-conformation et l’agrégation de la protéine α-synuclein qui forme des inclusions intraneuronales sont des éléments communs à toutes les synucleinopathies. Ces inclusions portent le nom de corps de Lewy et se forment dans des neurones ou cellules gliales appartenant à des régions cérébrales spécifiques. Elles sont vraisemblablement à l’origine de la perte progressive de neurones dans certaines parties du cerveau. Dans le cas de la maladie de Parkinson et dans d’autres maladies neuro-dégénératives, il a été démontré que la pathologie se propage anatomiquement d’une manière spécifique et prévisible au niveau cérébrale. Ceci suggère donc que la progression de la maladie est étroitement liée au transfert des agrégats d’α-synucléine. Ce procédé est très similaire à celui impliqué dans la maladie du prion qui elle en revanche est infectieuse. Par ailleurs, des inclusions neuronales d’α-synucléine ont été identifiées dans des neurones dopaminergiques d’origine fœtaux qui avaient été transplanté dans des cerveaux de patients parkinsoniens. Cette étude a permis d’envisager pour la première fois la possibilité de la transmission d’inclusions d’α-synucléine entre les neurones. Bien que de nombreuses études aient démontré la propagation d’α-synucléine in vitro et in vivo, le mécanisme permettant ce transfert n’est pas clairement établi. Par conséquent, ma thèse s’attache à étudier le mécanisme de transfert d’assemblages d’α-synucléine (i.e., oligomères et fibrilles). Dans un premier temps, j’ai apporté la preuve que les assemblages d’α-synucléine transfèrent de manière efficace entre les cellules neuronales via les Tunneling nanotubes (TNT). Les TNT sont définis comme étant des ponts membranaires riches en F-actine et permettant de connecter physiquement le cytoplasme de cellules éloignées. Au niveau subcellulaire, j’ai démontré que les assemblages d’α-synucléine qui transfèrent se trouvent dans des lysosomes. En revanche, après le transfert, ces assemblages se retrouvent libres dans le cytoplasme. J’ai également mis en évidence qu’à la suite du transfert, permis par les TNT, les fibrilles d’α-synucléine sont capables de recruter et d’induire l’agrégation de l’α-synucléine soluble afin de perpétuer le processus d’agrégation à l’infinie. Ces résultats indiquent que les TNT peuvent représenter un moyen efficace permettant le transfert d’assemblages d’α-synucléine. Cette découverte offre de nouvelles opportunités pour le développement de nouveaux agents neuro-protectifs contre la propagation des synucléinopathies. / Synucleinopathies are a group of fatal neurodegenerative diseases including Parkinson's disease, dementia with Lewy bodies, and multiple system atrophy, characterized by a chronic and progressive decline in motor, cognitive, behavioral, and autonomic functions. The hallmark of these diseases is the misfolding and aggregation of α-synuclein protein accumulating into intracellular inclusions Lewy bodies in neurons and glial cells which leads to the loss of neurons in specific brain regions. In the case of Parkinson’s disease and other neurodegenerative diseases, the pathology was shown to progress throughout the brain in a specific and predictable manner suggesting that the progression of the diseases is linked to the transfer of aggregated α-synuclein that is reminiscent of prion diseases that are infectious. Importantly, upon transplantation of fetal dopaminergic neurons in the brain of Parkinson’s patients, neuronal inclusions were found in the grafted neurons strongly suggesting that α-synuclein inclusions could transmit between neurons. While several studies showed α-synuclein propagation in vitro and in vivo the mechanism of intercellular transfer remains elusive. The aim of my thesis was to study the mechanism of transfer of α-synuclein assemblies (i.e., oligomers and fibrils) involved in Parkinson’s pathogenesis. I evidenced that α-synuclein assemblies transferred efficiently via tunneling nanotubes (TNT), F-actin based membranous bridges connecting the cytoplasm of remote cells. I demonstrated that, at the sub-cellular level, the transferred α-synuclein assemblies were specifically confined in lysosomes and that upon transfer a large amount of α-synuclein was found free in the cytosol of acceptor cells. Finally, I showed that after TNT-mediated transfer α-synuclein fibrils recruited and seeded the aggregation of the soluble α-synuclein protein in order to perpetuate aggregation. The identification of TNT as an efficient means of α-synuclein transfer opens new avenues to the development of novel therapies targeting the spreading into the brain of amyloidogenic proteins involved in neurodegenerative diseases.

La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) à l’état solide avec rotation à l’angle magique (MAS) est une technique de choix pour l’étude de la structure et de la dynamique de molécules biologiques peu ou non solubles. Un grand nombre d’approches ont été développées pour la reconstitution de structures tridimensionelles à partir de mesures précises de proximités internucléaires, ainsi que pour la détection de mouvements moléculaires avec une résolution atomique sur des échelles de temps couvrant plusieurs ordres de grandeur. Malgré d’impressionnants progrès, les études par RMN MAS sont cependant loin d’être réalisées en routine. Les déterminations structurelles et de dynamique sont souvent démontrées sur des préparations microcristallines modèles, mais sont encore rares pour des systèmes plus complexes tels que les fibrilles amyloïdes non cristallines ou les protéines trans-membranaires insérées dans des bi- couches lipidiques. Mon travail a pour objectif d’étendre les possibilités de la RMN MAS pour l’étude de systèmes biomoléculaires complexes dans différents états d’agrégation. Pour cela, j’ai exploité les possibilités uniques offertes par les hauts champs magnétiques (fréquence de Larmor du 1H 700, 800 et 1000 MHz) combinés avec les sondes MAS de dernières générations capables d’atteindre des vitesses de rotations supérieures à 60 kHz. Ces conditions expérimentales per- mettent d’augmenter la sensibilité de la RMN MAS à l’aide de la détection 1H à haute résolution et d’enrichir la palette de paramètres RMN rapporteurs de la dynamique des protéines. La première partie de cette thèse décrit le développement de nouvelles stratégies pour l’attribution des résonances du squelette de protéines, pour l’élucidation de structures, et pour l’étude de la dynamique du squelette peptidique et des chaînes latérales. Les méthodes présentées réduisent significative- ment les besoins en termes de temps expérimental, de quantités d’échantillon et de marquage isotopique, et permettent d’analyser par RMN des systèmes de plus hauts poids moléculaire. La seconde partie décrit l’application de la RMN MAS avec détection en 1H pour l’évaluation du rôle de la dynamique des protéines dans des processus tels que la formation de fibrilles amyloïdes et le fonctionnement de protéines membranaires. Une première application est l’étude de la tendance de la β-2 microglobuline humaine à former des fibrilles amyloïdes. Une comparaison de la dynamique du squelette peptidique de la protéine sauvage et du mutant D76N dans leur forme cristalline, ainsi que la détermination de propriétés structurales de la forme fibrillaire m’ont permis d’identifier la présence de repliements pathologiques et de formuler des hypothèses sur le mécanisme de formation des fibrilles. Finalement, la dynamique locale et globale de protéines membranaires dans des bicouches lipidiques a été étudiée. En particulier, le mécanisme d’action d’un transporteur d’alkanes, AlkL, de P. putida a été examiné dans un environnement lipidique. La détermination de paramètres pour la dynamique rapide (ps-ns) et lente (μs-ms) du squelette peptidique de la protéine en présence ou en absence de substrat met en évidence des acheminements possibles pour le transfert de molécules vers la membrane et jette les bases pour une meilleure compréhension du processus. / Solid-state NMR with magic angle spinning (MAS) has emerged as a powerful technique for investigating structure and dynamics of insoluble or poorly soluble biomolecules. A number of approaches has been designed for reconstructing molecular structures from the accurate measurement of internuclear proximities, and for probing motions at atomic resolution over timescales spanning several orders of magnitude. Despite this impressive progress, however, MAS NMR studies are still far from routine. Complete determinations, which are often demonstrated on model microcrystalline preparations, are still rare when it comes to more complex systems such as non-crystalline amyloid fibrils or transmembrane proteins in lipid bilayers. My work aimed at extending the possibilities of MAS NMR for applications on complex biomolecular systems in different aggregation states. For this, I exploited the unique possibilities provided by high magnetic fields (700, 800 and 1000 MHz 1H Larmor frequency) in combination with the newest MAS probes capable of spinning rates exceeding 60 kHz. These experimental conditions al- low to boost the sensitivity of MAS NMR through 1H detection at high resolution and to enrich the palette of probes for protein dynamics. The first part of the thesis reports on my contribution to the development of new strategies for backbone resonance assignment, for structure elucidation, and for investigation of backbone and side-chain dynamics. These methodologies significantly reduce the requirements in terms of experimental time, sample quantities and isotopic labeling, and enlarge the molecular size of systems amenable to NMR analysis. The second part describes the application of 1H detected MAS NMR to evaluate the role of protein dynamics in problems such as amyloid fibril formation and membrane protein function. I first addressed the amyloid fibril formation propensity of human beta-2 microglobulin, the light chain of the major histocompatibility complex I. I performed comparative studies of backbone dynamics of the wild type protein as well as a D76N mutant in crystals, and determined some of the structural features of the fibrillar form. This allowed to identify the presence of pathological folding intermediates and to formulate hypotheses on the mechanism of fibrils formation. Finally, I studied the local and global dynamics of membrane proteins in lipid bilayers. In particular, I investigated the mechanism of action of the alkane trans- porter AlkL from P. putida in lipid bilayers. The measurement of parameters for fast (ps-ns) and slow (μs-ms) backbone dynamics of the protein in presence or in absence of a substrate highlights possible routes for molecular uptake and lays the basis for a more detailed mechanistic understanding of the process.

Ce travail de thèse a été consacré à l'élaboration d'un nouveau type de membranes de nanofiltration efficaces avec des propriétés améliorées (flux élevé et rétention élevée, et de bonnes propriétés mécaniques) en déposant un revêtement assemblé couche-par-couche (LbL) sur des supports poreux. Après avoir systématiquement étudié le mécanisme de croissance des films assemblés couche par couche des polyélectrolytes choisis et la relation entre les structures de ces films et les performances des membranes résultant, nous avons identifié avec succès les meilleures structures multicouches pour la construction de membranes de nanofiltration de référence avec des performances optimales. En outre, en prenant avantage de la technique LbL, nous avons introduit une couche de diffusion latérale assemblée soit de nanofibrilles de cellulose ou de nanotubes de carbone, qui permet d’augmenter le flux de 30% tout en conservant la même rétention par rapport à la membrane de référence. En plus, les films assemblés à base de chitosan et nanofibrils de cellulose ont montré une forte résistance à la traction allant jusqu’à 450 MPa et un module d’Young jusqu’à 50 GPa. / This thesis work was devoted to the development of a novel and efficient nanofiltration membrane with improved properties (high flux and high retention, good mechanical strength) by coating Layer-by-Layer (LbL) assembled films onto porous membrane support. After having systematically studied the growth mechanism of LbL-assembled films of chosen polyelectrolytes and the relationship between the structures of these films and the membrane performance of the resulting NF membranes, we successfully identified the best multilayer structures for constructing nanofiltration membranes (NF) of reference with optimal membrane performance. Furthermore, taking advantages of the LbL-assembly, we successfully introduced LbL-assembled lateral diffusion layer that is made of either cellulose nanofibrils or carbon nanotubes, which in turn led to membranes with 30% higher flux. In addition, the LbL-assembled films of chitosan and cellulose nanofibrils showed surprisingly strong tensile strength of up to 450 MPa and a high Young modulus of up to 50 GPa.

La RMN du solide a récemment émergé en tant que technique très puissante en biologie structurale, permettant de caractériser au niveau atomique des systèmes qui ne peuvent être étudiés par d’autres méthodes. Des protocoles spécifiques à la RMN du solide sont à présent bien établis pour la préparation des échantillons, l’attribution des spectres et l’acquisition de contraintes structurales. Ensemble, ces protocoles ont ouvert la voie aux premières déterminations de structures tridimensionnelles de molécules biologiques à l’état solide avec une résolution atomique, et ce non seulement pour des échantillons protéiques microcristallins, mais également pour des systèmes plus complexes tels que des fibrilles ou des protéines membranaires.La détermination structurale de tels systèmes est cependant encore loin d’être une routine, et des avancées de plus large ampleur sont attendues grâce à des développements aux niveaux méthodologique et matériel. Pour cette raison, une majeure partie du travail présenté dans cette thèse a été consacrée au développement d’expériences à la fois nouvelles et sophistiquées pour améliorer la sensibilité et la résolution des méthodes déjà existantes pour attribuer les spectres et élargir les possibilités offertes par la RMN du solide en vue d’étudier la structure de systèmes protéiques plus larges. Ces développements reposent notamment sur l’utilisation de champs magnétiques très intenses et sur la rotation des échantillons à l’angle magique dans la gamme des très hautes vitesses angulaires. Nous montrons que dans ce cadre, il est possible de concevoir des expériences utilisant uniquement des champs radiofréquences à faible puissance ainsi que d’utiliser des transferts sélectifs, l’acquisition de corrélations à travers les liaisons chimiques et la détection proton.En particulier, nous montrons que des expériences de corrélation homonucléaire reposant sur des transferts scalaires deviennent une alternative compétitive aux expériences basées sur des transferts dipolaires. Deux nouvelles séquences d’impulsion permettant de détecter des corrélations 13C-13C à travers les liaisons chimiques avec une excellente résolution sont présentées; couplées à des transferts 15N-13C, elles permettent l’attribution des résonances de la chaîne principale des protéines avec une grande sensibilité.De plus, nous démontrons qu’il est possible d’obtenir des raies très fines pour les résonances de protons dans des protéines complètement protonées à l’état solide grâce à la rotation à l’angle magique à ultra-haute vitesse, sans avoir recours à la deutération. Dans ce contexte, nous avons développé de nouvelles stratégies permettant d’attribuer rapidement et de façon fiable les résonances des spins 1H, 15N, 13CO, 13CA et 13CB dans différentes classes de protéines, ainsi que pour mesurer des contraintes structurales à partir des distances entre protons. L’approche proposée repose sur la haute sensibilité des protons et accélère donc considérablement les processus d’attribution et de détermination structurale des protéines à l’état solide, comme illustré sur la protéine beta-2-microglobuline.Enfin, nous avons appliqué cette nouvelle approche pour réaliser l’attribution et l’étude structurale et fonctionnelle de trois catégories de complexes protéiques: les fibrilles amyloidogènes formées par beta-2-microglobuline, les nucléocapsides du virus de la rougeole, et les nucléocapsides d’Acinetobacter phage205. Nous avons également utilisé la technique de Polarisation Nucléaire Dynamique pour obtenir des informations sur l’ARN des nucléocapsides du virus de la rougeole.Nous considérons que les résultats présentés dans cette thèse représentent une avancée substantielle dans le domaine de la RMN du solide appliquée à la biologie structurale. Grâce aux progrès actuels dans ce domaine, l’impact de la RMN biomoléculaire à l’état solide promet d’augmenter dans les prochaines années. / Solid-state NMR has recently emerged as a key technique in modern structural biology, by providing information at atomic level for the characterization of a wide range of systems that cannot be investigated by other atomic-scale methods. There are now well established protocols for sample preparation, resonance assignment and collection of structural restraints, that have paved the way to the first three-dimensional structure determinations at atomic resolution of biomolecules in the solid state, from microcrystalline samples to fibrils and membrane-associated systems. These determinations are however still far from being routine, and larger breakthroughs are expected with further methodological and hardware developments. Accordingly, most of the work presented in this thesis consists of the development of new, sophisticated NMR experiments to improve the sensitivity and resolution of the currently existing schemes for resonance assignment and to extend the capabilities of solid-state NMR in terms of structural investigation of proteins for the analysis of large substrates. These developments notably rely on the use of very high magnetic fields and ultra-fast magic-angle spinning (MAS). We show the great potential of this particular regime, which enables the use of low-power experiments and the acquisition of selective cross-polarization transfers, through-bond correlations and 1H-detected correlations.In particular, we show that homonuclear correlation experiments based on through-bond transfers become competitive alternatives to dipolar transfer schemes. Two new pulse sequences that detect sensitive and resolved 13C-13C through-bond correlations are introduced, which coupled to 15N-13C dipolar transfer steps provide sensitive routes for protein backbone resonance assignment.Furthermore, we demonstrate that narrow 1H NMR line widths can be obtained for fully protonated proteins in the solid state under ultra-fast MAS, even without perdeuteration. In this context, we have developed new strategies for extensive, robust and expeditious assignments of the 1H, 15N, 13CO, 13CA and 13CB resonances of proteins in different aggregation states, and new schemes for the measurements of site-specific 1H-1H distance restraints. This approach relying on the very high sensitivity of 1H spins remarkably accelerates the processes of assignment and structure determination of proteins in the solid state, as shown by the assignment and de novo structure determination of native beta-2-microglobulin. Finally, we apply this new approach to perform resonance assignment and to study structural and dynamic features of three complex protein aggregates: amyloid fibrils formed by native and D76N beta-2-microglobulin, Acinetobacter phage 205 nucleocapsids and measles virus (MeV) nucleocapsids. We also used Dynamic Nuclear Polarization to obtain the first information about RNA in MeV nucleocapsids.We believe that the results presented in this thesis represent a substantial step forward for solid-state NMR in structural biology. With all the current advances in the field, the impact of biomolecular solid-state NMR is likely to increase in the next years.