In this diploma thesis were investigated in terms of microviscosity liquid and condensed systems composed of hyaluronan (Hya) and cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB). The excitation and emission spectra, lifetime, steady-state fluorescence anisotropy and time-resolved fluorescence anisotropy of the samples were measured. First, was studied the formation of hydrophobic domains in the system Hya-CTAB at concentration of CTAB lower than its critical micelle concentration in an aqueous solution and 0.15M NaCl. It was found that in an aqueous solution small hydrophobic domains linked to chains Hya are formed. Then an increasing concentration of CTAB leads to phase separation and formation of gel. Due to the addition of NaCl then leads to the reorganization of this system and probably the formation of free micelles in the solution. Were also studied condensed phase of system Hya-CTAB-NaCl at high concentrations of surfactant during fourteen days of ageing. It was found that the microviscosity of hydrophobic domains is constant, but the microviscosity of hydrophilic parts gradually decreases.

This work deals with the study of fluorescence lifetime and spectral changes of nanoparticles in cell biology. It describes the principle of fluorescence, fluorescence microscopy and laser confocal microscope Leica TCS SP8. The classic FLIM method, the Lambda Square mapping and the division of nanoparticles are introduced there. In the practical part, the created program for the evaluation of fluorescence lifetime and spectral changes is described. The program can show two-dimensional lambda maps, the fluorescence lifetime and spectral shift in the space area. In the final part of the thesis, an experiment with rhodamine nanoparticles is carried out and it is evaluated using the created program and then discussed.

This thesis focuses on fluorescent analysis of viability and PHA content in bacterial cultures, the main methods of investigation were flow cytometry and fluorescent microscopy. In order to determine viability of C. necator H16, several viability probes were tested, nevertheless, only BacLightTM kit and propidium iodide can be used to estimate portion of viable and live bacterial cell in samples. Further, Acridine orange was used to monitor physiological state of bacterial culture and two hydrophobic probes, Nile Red and BODIPY 493/503, were used to investigate PHA content in bacterial cells. Application of BODIPY 493/503 seems to be promising since this probe does not require permeabilization of bacteria cells and it can be used along with propidium iodide. Furthermore, several fluorophores were tested in the microscopic part. In was found that concentrations used in cytometric analyses were too high for microscopic use. Emission from the SYTO9 fluorophore is seen mainly in the green channel but because of the high concentration some emission was visible in the red channel. Cells stained with BODIPY 493/503 had very high fluorescence intensities when the stain concentration was 10 . At the same time, negative amplitudes of fluorescence were measured in both strains of C. necator, but in case of C. necator H16 that amplitude was much more pronounced. In this strain surprising high concentration of BODIPY stain was observed on the surface of PHB granules. Anisotropy of the fluorophore was nearing 0 which is very surprising.

La compréhension des mécanismes biologiques et l’implication des protéines dans ces mécanismes ont toujours été un enjeu important pour les biologistes. Les zones à risques de l’ADN impliquées dans les cancers, comme les G-quadruplex, les zones riches en Adénine-Thymine et leurs environnements proches sont particulièrement étudiés depuis de nombreuses années. L’essor des techniques d’analyses par fluorescence a permis aux scientifiques de mettre au point des sondes marquant ces domaines avec toujours plus de précision et de sensibilité. Cependant, de nombreuses interrogations existent sur la nature des interactions entre ces zones de l’ADN et les protéines. Afin de répondre à cette problématique, la synthèse d’une sonde pro-fluorescente alliant un ligand de l’ADN (conçu d’après les travaux des équipes de l’Institut Curie, UMR 176) à un piège à protéines (basé sur le squelette de l’epicocconone) a été réalisée et son efficacité biologique a été évaluée. Ces deux parties ont été assemblées en utilisant une réaction de cycloaddition 1,3 dipolaire spontanée entre un azoture et un alcyne contraint (SPAAC). De plus, au cours de ces travaux, une nouvelle bibliothèque de ligands de l’ADN a été synthétisée en utilisant une méthodologie innovante basée sur une réaction de C-H activation « on water ». / Understanding biological process and proteins involved in has challenged biologists’ mind for a while. Specific DNA sequences, such as G-quadruplex and Adenine-Thymine rich sequences, have been studied for many years, especially for their involvement in genetic diseases like cancer. Scientists have also been interested in fluorescence monitoring and imaging of these specific sequences for a long time. Indeed, the huge sensitivity of these fluorescent technics and the wide scope of synthetic dyes available allowed several improvements on targeting DNA sequences responsible for genetic disorders. Nonetheless, relation between proteins and these areas remains mostly unknown. In order to answer this question, a pro-fluorescent dye built of two main parts, which are a DNA ligand (designed by Curie Institute teams, UMR 176) and a protein trap (based on epicocconone core). These parts were synthesized, coupled thanks to a Spontaneous Azoture Alkyne Cycloaddition (SPAAC) and the biological properties of the probe were evaluated. Furthermore, new ligands were synthesized using a new and innovating method of “on water” C-H activation reaction.

Depuis quelques décennies, l’étude de systèmes biologiques complexes est un domaine en plein essor. Ainsi, des outils de ligation des biomolécules avec des reporters chimiques ont été mis en place afin d’avoir une compréhension toujours fine du vivant. Les ligations sont des réactions chimiques biocompatibles permettant de lier deux entités synthétiques ou biologiques entre elles. On regroupe généralement ces ligations en deux catégories, les réactions de bioconjuguaison, qui font intervenir des fonctions chimiques naturellement présentes dans les biomolécules, et les réactions bio-orthogonales qui n’interfèrent pas avec les fonctions chimiques présentes dans ces milieux, mais nécessitent en amont une modification des partenaires de réaction. Cependant, il convient de faire la distinction avec une troisième catégorie, les réactions de conjugaison chimiosélectives, qui mettent en oeuvre des fonctions non naturellement présentes sur les biomolécules. En ce sens, elles se rapprochent donc des réactions bio-orthogonales, mais les fonctions ou conditions mises en jeu ne sont pas suffisamment bio-orthogonales ou les réactions ne sont pas suffisamment rapides pour pouvoir être réalisées dans les systèmes biologiques. Ces ligations sont toutefois très utilisées pour de la construction biomoléculaire allant de la petite molécule (par exemple oligopeptide modifié) à la biomacromolécule (type protéine modifiée) et se distinguent par une facilité de mise en oeuvre et purification des conjugués, ce qui n’est pas toujours réa lisable avec l’arsenal des réactions bio-orthogonales qui conduisent à la formation de multiple isomères. Ainsi, mes travaux de thèse se sont orientés vers la découverte et/ou l’étude de ligations chimiosélectives ainsi qu’à leur utilisation dans la préparation de sondes fluorescentes voire fluorogéniques. L’étude de la ligation Kondrat’eva préalablement développée au sein du laboratoire, a permis de mettre en évidence son caractère fluorogénique, et a été exploitée pour le marquage fluorescent de molécules via une étape unique de ligation fluorogénique. Puis, le développement d’une ligation utilisant le système tétrazine/pyrazolone a été développée afin de pallier le manque de sélectivité des réactions basées sur le motif tétrazine proposées jusqu’alors, qui conduisent aux bioconjugués sous la forme d’un mélange de produits. Cette approche a été illustrée par le marquage fluorescent d’une protéine humaine. Enfin, le développement d’une nouvelle voie d’accès aux quinoxalinones a permis leur étude photophysique et la mise en évidence de propriétés fluorogéniques utilisées notamment pour la synthèse d’une biosonde. / In recent decades, the study of complex biological systems has been a growing field. Thus, biomolecules ligation tools with chemical reporters were set up in order to have a better and fine understanding of the living. Ligations are biocompatible chemical reactions that link two synthetic or biological entities one antother. These ligations are generally gathered into two categories, bioconjugation reactions, using chemical functions naturally present in the biomolecules, and bio-orthogonal reactions which does not interfere with these function, but require a prior engineering of the biological partner. However, it is necessary to distinguish a third category, the chemoselective conjugation reactions, which implement functions not naturally present on biomolecules. In this sense, they are therefore closer to bio-orthogonal reactions, but the functions or conditions involved are not sufficiently bioorthogonal or the reactions are not fast enough to be carried out in any biological systems. These ligations are, however, widely used for biomolecular constructions ranging from the small molecule (for example modified oligopeptides) to the biomacromolecule (protein modification) and are distinguished by their ease of implementation and purification of the conjugates, which is not always feasible with the arsenal of bio-orthogonal reactions that leads to the formation of multiple isomers. Thus, my PhD work focused on the discovery and / or the study of chemoselective ligations as well as their use in the preparation of fluorescent or fluorogenic probes. The study of the Kondrat'eva ligation previously developed within the laboratory, highlighted its fluorogenic behaviour, and was exploited for the fluorescent labelling of molecules through a single fluorescence-ligation step. Then, the development of a ligation using the tetrazine / pyrazolone system was developed in order to overcome the lack of selectivity of the reactions based on the tetrazine scaffold which often lead to the formation of bioconjugates as a mixture of isomers. This approach has been illustrated by the fluorescent labelling of a human protein. Finally, the development of a new access route to quinoxalinones allowed to study their photophysical properties and to highlight their fluorogenic properties which were leveraged in particular for the synthesi s of a bioprobe.

Les formes réactives de l’oxygène (peroxyde d’hydrogène, radicaux superoxydes et hydroxyles) sont produites lorsque la régulation du métabolisme de l’oxygène est perturbée. Ces espèces sont responsables, directement ou indirectement, de nombreux dommages oxydatifs au niveau moléculaire (acides nucléiques, protéines, lipides…) pouvant affecter les mécanismes cellulaires. Toutefois le peroxyde d’hydrogène pourrait également se comporter comme un messager secondaire dans différentes voies de signalisation et être à l’origine de processus physiologiques. Ainsi sa double fonction a suscité l’intérêt de nombreux laboratoires qui tentent à présent d’élucider son rôle et son degré d’implication dans les processus physiologiques et pathologiques. Pour la détection du peroxyde d’hydrogène, de nombreuses pro-sondes ont été élaborées sur la base d’une amorce boronate. La plupart de ces pro-sondes ont permis de détecter un stress oxydant in cellulo mais souffrent cependant d’un manque de réactivité. Le but du mon projet de thèse a alors été d’améliorer la réactivité de l’amorce en élaborant des pro-sondes à amorce borinate. Malgré des difficultés de synthèse, nous avons obtenu une telle pro-sonde à amorce borinate, dissymétrique, portant à la fois un phényle et la coumarine, choisie comme chromophore. Des études cinétiques ont montré que la réactivité de notre pro-sonde borinate est 100 fois plus élevée que celle des pro-sondes à amorce boronate actuelles, en conditions physiologiques. Un mécanisme réactionnel a été proposé. Enfin notre pro-sonde a pu être validée in cellulo sur des macrophages, activés au PMA pour la détection endogène du peroxyde d’hydrogène. Encouragés par ces résultats, nous synthetisons actuellement d’autres pro-sondes à amorce borinate présentant d’autres chromophores. / Reactive oxygen species (hydrogen peroxide, hydroxyl and superoxide radicals) are produced when the regulation of oxygen metabolism is disrupted. These species are directly or indirectly responsible for numerous oxidative damage at the molecular level (nucleic acids, proteins, lipids, etc.) which can affect cellular mechanisms. However, hydrogen peroxide could also behave as a secondary messenger in various signaling pathways and be the source of physiological processes. Thus its dual function has aroused the interest of many laboratories which are now trying to elucidate its role and its degree of involvement in physiological and pathological processes. In order to detect hydrogen peroxide, many pro-probes have been developed, based on a boronate trigger. Most of these probes proved able to detect an oxidative stress in cellulo but suffer from lack of reactivity. The goal of my thesis project was to improve the reactivity of the trigger by developing pro-probes with a borinate trigger. In spite of difficulties of synthesis, we obtained such a pro-probe with a borinate trigger, dissymmetrical, and bearing both a phenyl and a coumarin substituent, chosen as chromophore. Kinetic studies have shown that the reactivity of our borinate pro-probe is 100 times higher than that of the current boronate-based trigger pro-probe, under physiological conditions. A reaction mechanism has been proposed. Finally, our pro-probe has been validated in cellulo on macrophages, activated with PMA for the endogenous detection of hydrogen peroxide. Encouraged by these results, we are currently synthesizing other pro-probes with borinate trigger presenting other chromophores.

Pour analyser la structure et la dynamique des échantillons, la biologie cellulaire repose sur l'utilisation d'outils d'imagerie. En particulier, la microscopie de fluorescence offre une grande spécificité et une toxicité réduite. L'émergence récente des méthodes de super-résolution a permis d'outrepasser la limite de diffraction et ouvert de nouvelles perspectives d'études. Les stratégies de molécule unique sont particulièrement adaptées à l'imagerie nanométrique tridimensionnelle, et permettent de nombreux couplages avec des modalités complémentaires ; toutefois, leur manque de reproductibilité entrave leur généralisation.Nous proposons ici de nouvelles méthodes dans le but de remédier à ces problèmes en facilitant leur application en biologie cellulaire, en chimie et en science des matériaux. Tout d'abord, nous présentons des protocoles et échantillons dédiés aux acquisitions de calibration et de mesure de performances. Nous décrivons également plusieurs exemples d'utilisation de super-localisation tridimensionnelle dans le cadre d'études d'adhésion cellulaire et de résistance bactérienne.Ensuite, nous nous concentrons au développement d'une nouvelle méthode de microscopie de localisation de molécules uniques tri-dimensionnelle permettant l'élimination de biais de détection. Ceci est permis par le couplage entre deux stratégies complémentaires: la mise en forme de fonction d'étalement de point, et la détection de la fluorescence d'angle super-critique. L'intercorrélation et la recombinaison des informations latérales et axiales permet l'obtention d'une résolution quasi-isotrope, avec des précisions jusqu'à 15 nanomètres sur une plage de capture d'un micron. Nous mettons en évidence l'insensibilité de la méthode aux biais d'imagerie comme la dérive axiale, l'aberration chromatique et l'inclinaison de l'échantillon, et nous l'illustrons à travers des applications à la neurobiologie et au marquage de bactéries.Pour finir, nous présentons deux nouvelles approches pour le découplage d'acquisitions multi-espèces simultanées. Toutes deux basées entièrement sur le post-traitement des données acquises, elles exploitent respectivement la mesure des tailles des taches et le comportement dynamique du clignotement. Après une preuve de principe, nous évaluons l'impact des différents paramètres susceptibles d'influencer les résultats. Nous concluons en proposant des pistes d'amélioration des performances de découplage, et en suggérant de possibles couplages avec des méthodes complémentaires en imagerie de molécules uniques. / Cell biology relies on imaging tools to provide structural and dynamic information about samples. Among them, fluorescence microscopy offers a compromise between high specificity and low toxicity. Recently, super-resolution methods overcame the diffraction barrier to unlock new fields of investigation. Single molecule approaches prove especially useful for three-dimensional nanoscale imaging, and allow couplings between different detection modalities. Still, their use is hindered by the complexity of the methods as well as the lack of reproducibility between experiments.We propose new methods to render super-localisation microscopy more easily applicable to relevant studies in cell biology, chemistry and material science. First, we introduce dedicated protocols and samples to eliminate sources of error in calibration and performance measurement acquisitions. We also provide examples of uses of three-dimensional super-localisation for state-of-the-art studies in the frameworks of cell adhesion and bacterial resistance to drugs.Then, we focus on the development of a novel optical method that provides unbiased results in three-dimensional single molecule localisation microscopy. This is achieved through the combination of two complementary axial detection strategies: point spread function shaping on the one hand, and supercritical angle fluorescence detection on the other hand. By cross-correlating and merging the lateral and axial positions provided by the different sources, we achieve quasi-isotropic localisation precisions down to 15 nanometres over a 1-micrometre capture range. We demonstrate the insensibility of the method to imaging non-idealities such as axial drift, chromatic aberration and sample tilt, and we propose applications in neurobiology and bacteria labelling.Finally, we introduce two new post-processing approaches for the demixing of simultaneous multi-species acquisitions. They are based respectively on the measurement of the spot sizes, and on the assessment of the dynamic blinking behaviour of molecules. After demonstrating a proof of principle, we assess the impact of the different parameters likely to influence the results. Eventually, we discuss leads to improve the demixing performances, and we discuss the coupling possibilities with complementary single molecule localisation techniques.

En biologie développementale, l'étude d'organismes modèles vise à comprendreles mécanismes génétiques responsables de la morphogenèse chez le vivant. Lamicroscopie confocale à fluorescence permet aujourd'hui d'observer in vivo àl'échelle de la cellule et avec une haute fréquence temporelle le développementd'organismes. Les séquences d'images 3D+t ainsi obtenues nécessitent d'avoirdes outils de traitement d'images adaptés.Dans cette thèse, nous construisons des outils dédiés à l'étude dudéveloppement de deux organismes, l'embryon de l'ascidie Phallusiamammillata et le bouton floral d'Arabidopsis thaliana.Nous développons d'abord une méthode de comparaison de segmentationsadaptée aux images de tissus épithéliaux d'organismes en développement.Nous nous appuyons sur cet outil pour valider notre seconde contribution quiporte sur la mise en place d'un outil de détection et de reconstruction demembranes cellulaires conçu afin de procéder à la segmentation de cellulesdans les images d'ascidies et d'arabidopsis.Nous utilisons ensuite l'outil de segmentation de membranes précédemmentintroduit pour construire une stratégie de recalage spatial inter-individusappliquée aux embryons d'ascidies. Enfin, nous élaborons une stratégie derecalage spatio-temporel inter-individus appliquée à des séquences d'images 3Dde méristèmes floraux / In developmental biology, the study of model organisms aims for theunderstanding of genetic mechanisms responsible of morphogenesis. Today,fluorescent confocal microscopy is a means for in vivo imaging of developingorganisms at cell level with a high spatio-temporal resolution. To handle such3D+t image sequences, adapted computer-assisted methods are highlydesirable.In this thesis, we build dedicated tools for the study of two developingorganisms, the ascidian Phallusia mammillata's embryo and the Arabidopsisthaliana's floral meristem.We first develop a method for segmentation comparison adapted to developingorganism epithelial tissue images. This tool is then used to validate our secondcontribution that is about the development of a cell membranes detection andreconstruction tool for cell shape segmentation process applied to ascidian andarabidopsis images.We then use the previously introduced membrane detection tool to build aninter-individual spatial registration strategy applied to ascidian embryo images.Finally, we develop an inter-individual spatio-temporal registration strategyapplied to 3D image sequences of arabidopsis floral meristems

This work deals with the preparation of combinatorial libraries of peptides serving as platforms for proteolytic phenotyping. The primary objective was to prepare a solid phase fluorogenic peptide library and screen proteases by fluorescence. Further, the possibility of preparing solid phase DNA-encoded libraries was studied. Due to the non-reactivity of the specific proteases with the solid phase peptides, the solid phase was completely abandoned and DNA-encoded peptide library was prepared in the solution. Using this model of DNA-encoded dipeptide with terminal biotin, the new principle of testing proteolytic activities of proteases was verified. A combinatorial library of DNA-encoded hexapeptides was also prepared. Despite the low yield of the library, the possibility of DNA encoding, the amplifiability of the prepared molecules and the possibility of biotin-based separation were verified. The integrity of the hexapeptide sequence and the protease testing is the subject of further study.

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