Au cours de cette thèse nous avons étudié les propriétés anticancéreuses du pigment majoritaire de la betterave rouge : la bétanine, ainsi que son mode d’action. Nos travaux reposent sur une approche pluridisciplinaire. Nous avons tout d’abord mis au point un protocole d’extraction et de purification de la bétanine à partir de betteraves rouges fraîches. Plusieurs étapes de purification se terminant par la séparation des molécules d’intérêt sur HPLC semi-préparative sont nécessaires à l’obtention de la bétanine à un degré de pureté de 90 %, une qualité d’extrait jusqu’à présent inégalé. Nous avons ensuite évalué l’effet cytotoxique de notre extrait sur cellules cancéreuses. Nous avons pu démontrer son innocuité sur cellules non cancéreuses et identifier les voies de signalisation pouvant être impliquées. Nous avons ainsi pu avancer des pistes concernant le mode d’action de la bétanine sur les cellules, mais également soumettre pour la première fois l’idée d’une implication de l’autophagie dans la mort cellulaire induite par la bétanine. Enfin, nous avons montré, par des techniques d’analyse biophysique aux interfaces appliquées aux membranes cellulaires et biomimétiques, qu’indépendamment de son insertion jusqu’au cœur hydrophobe des membranes, la bétanine n’influait pas sur la fluidité et la perméabilité membranaire. Ce travail exploratoire confirme l’intérêt à porter à la bétanine qui, compte tenu de sa haute biodisponibilité, présente de nombreuses applications thérapeutiques potentielles. / During this thesis we studied the anticancer properties of the major beetroot’s pigment: betanin. Our work is based on a multidisciplinary approach.First we developed a protocol for the extraction and the purification of betanin from fresh beetroots. Several purification steps ended by separation in semi-preparative HPLC are required to obtain a betanin at 90 % pure, which is the highest purity ever recorded. Then we assessed the cytotoxic effect of our extract on cancer cells and its safety on non-cancer cells. By identifying the signaling pathways that might be involved in these effects, we were thus able to suggest ways concerning the mode of action of betanin on cells, but also propose, for the first time, the idea of an involvement of autophagy in cell death induced by betanin. Finally, we have shown by interfacial biophysical techniques applied on cell and biomimetic membranes that, regarless to its deep insertion in the hydrophobic core of the lipid bilayer, betanin did not affect the physical properties of the membrane such as its fluidity or its permability.This scoping study confirms the interest to bring to betanin which, given its high bioavailability, has many potential therapeutic applications.

Ces travaux de thèse concernent le développement d'une biopuce à membranes permettant de réincorporer de manière fonctionnelle une protéine transmembranaire de la famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), CXCR4, dans une bicouche lipidique attachée et espacée sur un substrat d'or par pilotis peptidiques (pep-tBLM), sous un format miniaturisé et parallélisé. Le peptide pilotis utilisé, P19-4H, possède une cystéine en position N-terminale pour son greffage covalent sur la surface d'or et quatre résidus Histidine en position C-terminale pour l'attachement par chélation, en présence de Nickel, de protéoliposomes réintégrant CXCR4. La synthèse de cette protéine s'effectue par expression acellulaire sous forme de protéoliposomes, dans une composition lipidique adaptée et en présence d'un lipide chélatant, le DOGS-NTA, à 2% de la quantité molaire totale des lipides. Le peptide AH, un peptide fusogène, est utilisé dans une dernière étape pour fusionner les protéoliposomes attachés. La caractérisation approfondie des protéoliposomes et l'optimisation des conditions expérimentales ont permis d'aboutir à l'attachement robuste des protéoliposomes avec une densité lipidique suffisante pour leur fusion par le peptide AH et la formation d'une pep-tBLM réintégrant CXCR4. Des études de recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) ont montré que la pep-tBLM réinsérant CXCR4 était fluide, homogène et continue, avec un coefficient de diffusion de 2.10-7 cm2/s. Des études d'interaction entre CXCR4 et un ligand antagoniste, le T22, ont révélé que la protéine s'insère dans la pep-tBLM de manière fonctionnelle et orientée. Le processus de formation de la pep-tBLM a été miniaturisé par microstructuration du support consistant à recouvrir la surface d'or de polystyrène puis à former des micropuits exposant la surface d'or en leur fond. Le peptide P19-4H a été déposé de manière contrôlée dans les micropuits à l'aide d'un robot de dépôt pour former des plots de pep-tBLM intégrant CXCR4. La fonctionnalité de CXCR4 réinsérée dans ces plots de membranes a été attestée par des études d'interaction avec son ligand T22. L'ensemble des étapes de formation, d'optimisation et de miniaturisation des pep-tBLM a été suivi, visualisé et caractérisé en temps réel et sans marquage par la technique d'imagerie par résonance plasmonique de surface (SPRi). La technologie « TransMembraChip » développée au cours de cette thèse représente une méthode de choix pour la réincorporation et l'étude fonctionnelle de protéines transmembranaires dans une composition lipidique adaptée. Les protéines transmembranaires, en particulier les RCPG, représentent des cibles thérapeutiques intéressantes. Ainsi, dans le cadre de la recherche de candidats médicaments pour le traitement de pathologies impliquant des protéines transmembranaires, cette nouvelle génération de biopuce à membranes constitue un outil prometteur adapté au criblage de ligands agonistes ou antagonistes de ces protéines / This thesis presents the development of a membrane biochip allowing to functionally reincorporate a transmembrane protein of the G-protein coupled receptor (GPCR) family, CXCR4, in a peptide-tethered bilayer lipid membrane (pep-tBLM), in a miniaturized and parallelized format. The peptide tether used, P19-4H, possesses a cysteine in its N-terminal extremity for covalent grafting onto the gold surface and four Histidine residues in its C-terminal extremity for attachment of proteoliposomes integrating CXCR4 by metal-chelate interaction in the presence of nickel. The synthesis of CXCR4 was carried out by cell-free expression in the form of proteoliposomes, in a suitable lipid composition and in the presence of a chelating lipid, DOGS-NTA, at 2% molar ratio. The AH peptide, a fusogenic peptide, was employed in a last step to fuse the attached proteoliposomes. The thorough characterization of proteoliposomes and the optimization of experimental conditions led to the robust attachment of proteoliposomes with sufficient lipid density to perform their fusion by the AH peptide and the formation of a pep-tBLM integrating CXCR4. Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) studies have shown that the pep-tBLM reinserting CXCR4 was fluid, homogeneous and continuous, with a diffusion coefficient of 2 x 10-7 cm2/s. Ligand binding studies between CXCR4 and T22, an antagonist, revealed that the protein was functional and well-oriented in the peptBLM. The formation process of the pep-tBLM was miniaturized by support microstructuration, consisting in covering the gold surface with polystyrene and then, forming microwells exposing the gold surface at their bottom. The P19-4H peptide was spotted in a controlled manner into the microwells to form microspots of pep-tBLM incorporating CXCR4. The functionality of CXCR4 reinserted into these membrane microspots was confirmed by T22 ligand binding studies. All the steps of formation, optimization and miniaturization of the pep-tBLM were monitored, visualized and characterized by surface plasmon resonance imaging (SPRi), a real time and label-free technique for the detection of interactions. The "TransMembraChip" technology developed in this work represents a method of choice for the reincorporation and functional study of transmembrane proteins in a suitable lipid composition. Transmembrane proteins, particularly GPCRs, form interesting therapeutic targets. Thus, in the context of pharmaceutical research of drug candidates for the treatment of pathologies involving transmembrane proteins, this new generation of membrane biochip is a promising tool for screening agonist or antagonist ligands of these proteins

L’objectif de ce projet est d’étudier l’interaction de nanoparticules polymères avec les membranes, soit directement sur des cellules entières ou grâce à des modèles membranaires biomimétiques, dans l’optique de valider leur utilisation dans le cadre d’applications biologiques. Des nanoparticules (NPs) polymères cœur/enveloppe avec un diamètre inférieur à 100 nm ont été synthétisés. Cette taille a été choisie afin de leur permettre de pénétrer à travers les membranes plasmiques. Des nanoparticules ayant la même composition chimique mais avec un diamètre hydrodynamique supérieur, de l’ordre de 250 nm, ont été également préparées afin de mettre en évidence l’effet de la taille des particules sur le processus d’internalisation cellulaire. Dans cette thèse, une méthode innovante de synthèse monotope a été développée pour obtenir des NPs coeur-enveloppe, compatibles en milieu aqueux et présentant à leur surface des résidus iniferter. Le coeur est composé de polystyrène avec une taille d’environ 30 nm. Un large éventail de fonctionnalités peut être greffé sur la surface du coeur par polymérisation radicalaire contrôlée en faisant varier différents types de monomères. L’épaisseur de l’enveloppe peut être ajustée en fonction de la concentration en monomère et du temps de polymérisation. Les nanoparticules synthétisées ont été caractérisées par diffusion dynamique de la lumière, par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, par analyse micro-élémentaire et par microcopie à transmission électronique. Les interactions des NPs à coeur polystyrène et avec des enveloppes de charge neutre et négative ont été étudiées avec des cellules kératinocytes épidermiques humaines néonatales (NHEK), des fibroblastes primaires humains et les cellules HACaT de kératinocytes humains. Les études de cytotoxicité réalisées en utilisant un marquage à l’iodure de propidium et un test à la lactate déshydrogénase n’ont relevé aucune toxicité sur les lignées testées. Cependant, le suivi de la prolifération cellulaire par impédance électrique de substrats cellulaires a indiqué que les nanoparticules anioniques induisent une forte diminution de la prolifération des kératinocytes. L’internalisation cellulaire des NPs a été confirmée par microscopie confocale qui n’indique pas leur colocalisation avec les endosomes précoces, les lysosomes et l’actine. De plus, les données obtenues par triage cellulaire par cytofluorométrie soutiennent qu’un mécanisme énergétiquement-dépendant est mis en œuvre pour l’internalisation des NP neutres, ce qui semble être moins le cas pour les nanoparticules négatives. Les membranes biomimétiques ont été employées afin d’étudier les spécificités des interactions entre nanoparticules et lipides dans des conditions contrôlées. L’étude sur des modèles de vésicules géantes couplée à de la spectroscopie de fluorescence a révélé que les nanoparticules coeur/enveloppe sont capables d’interagir profondément dans la région hydrophobe de la membrane, mais uniquement quand la bicouche lipide est en phase fluide désordonnée. Le mode de pénétration des NPs au travers de la bicouche des vésicules semblent engendrer la formation de pores. Un effet plus prononcé de rigidification de la bicouche a pu être observé lors de l’interaction de nanoparticules chargées négativement avec les bicouches de phosphatidycholines. Cet effet pourrait être attribué à un changement de l’orientation des têtes phosphocholines du à des interactions électrostatiques. En conclusion, les nanoparticules polymère que nous avons synthétisées apparaissent être des outils polyvalents pour les études d’interaction cellulaire et d’imagerie. Ces nanomatériaux peuvent être éventuellement être employés pour la délivrance de médicaments en incorporant les molécules actives dans une enveloppe polymère thermosensible par exemple. / This project’s aim was to study polymeric nanoparticle-membrane interactions using both live cells and biomimetic models with the idea to validate such nanoparticles for use in bio-applications. Core-shell polymeric nanoparticles below 100 nm, as this small size is capable of penetrating plasma membranes, were synthesised. Nanoparticles (NPs) with the same chemical composition but with hydrodynamic diameters of ~250 nm, were also prepared in an effort to highlight any effect of NP size on cell internalisation. In this thesis, an innovative method is presented for the synthesis of water-compatible, iniferter-bound polystyrene core shell NPs (~30 nm) using a one-pot synthetic method. A plethora of functionalities could be added to the nanoparticles via shell grafting from the surface of the polystyrene core in the presence of additional monomers via controlled living radical polymerisation. Shell thickness could be tuned as a function of monomer’s concentration and polymerisation time. The nanoparticles were fully characterised by dynamic light scattering, Fourier transform infra-red spectroscopy, microelemental analysis and transmission electron microscopy. Further, the interactions of polystyrene core NPs possessing neutral and anionic shells were investigated using neonatal human epidermal keratinocytes (NHEK), human primary fibroblasts and HaCaT cells. Cytotoxicity studies performed using propidium iodide and lactate dehydrogenase indicated no evidence of cytotoxicity in either cell line. However, cell proliferation monitored by electric cell substrate impedance sensing (ECIS) protocols indicated that anionic nanoparticles induced a dramatic decrease in cell proliferation in keratinocytes. The cellular internalisation of NPs was confirmed by confocal microscopy and no co-localisation was found with early endosomes, lysosomes or actin. Additionally, fluorescence activated cell sorting (FACS) data support the theory that an energy-dependent mechanism is employed for neutral NP internalisation but less so for negatively charged NPs. Biomimetic membrane models were used to investigate specific nanoparticle-lipid interactions under controlled conditions. Employing giant vesicles coupled with fluorescent spectroscopy techniques revealed that core-shell nanoparticles interact deep in the hydrophobic region of bilayers only when the membrane is in the fluid phase. Their mode of entering artificial cells (i.e giant vesicles) appears to cause the formation of pores. Anionic nanoparticles interact with the choline moiety of phosphatidylcholine and confer a rigidifying effect on phosphocholine containing bilayers. Therefore we conclude that the polymeric nanoparticles that we synthesized are versatile tools for cell interaction and imaging studies. These nanomaterials could eventually be applied to drug delivery studies by incorporation of the drug in for instance a thermoresponsive polymeric shell. Furthermore, it is clear that NPs coated with anionic and neutral polymeric shells present a lower toxicity profile than previously reported cationic nanoparticles. Both nanoparticles increase the order lipid bilayer vesicles composed of POPC (the most common glycerophospholipid) in animal and plants. Anionic nanoparticles in particular exhibit a rigidifying effect on POPC lipid bilayers and their mode of entry into cells may be due to the formation of pores which was determined to not induce cell death.

Deux membres des Visinin-Like Proteins (VILIPs), VILIP-1 et VILIP-3, ont été étudiés à l'aide de deux modèles membranaires biomimétiques, les monocouches de Langmuir couplées à la microscopie à l'angle de Brewster (BAM) et les bicouches lipidiques supportées (SLB) visualisées par microscopie à force atomique (AFM). A l'aide de ces deux modèles, nous avons pu montrer que les VILIPs, protéines N-myristoylées et possédant quatre mains-EF, ont une cinétique d'interaction membranaire qui augmente en présence de calcium, probablement dû à la présence d'un mécanisme type « switch calcium-myristoyle ». En revanche, l'utilisation de protéines mutées, non myristoylées, a révélé que la présence du groupement myristoyle n'est pas le seul facteur nécessaire pour que ces protéines interagissent avec la membrane. La présence d'une région N-terminale riche en résidus lysine permettrait à cette famille de protéines d'interagir via des interactions électrostatiques avec des membranes possédant des lipides anioniques et plus particulièrement du phosphatidylinositol-4,5-biphosphate (PIP2). La présence d'un faible pourcentage de ce phosphoinositide dans la membrane est responsable de l'accélération de la vitesse d'interaction membranaire des VILIPs, ce qui est cohérent avec leur location subcellulaire in cellulo. Enfin, un nouveau modèle membranaire de bicouches lipidiques suspendues sur des pilotis peptidiques (pep-tBLM) greffés sur une surface d'or a été ensuite développé. La méthode présentée dans ce manuscrit permet de créer des tBLM, de la composition lipidique souhaitée, en utilisant un peptide pilotis spécifiquement conçu durant cette thèse. La création de ce modèle a été suivie en temps réel par imagerie de résonance plasmonique de surface (SPRi) et caractérisé par AFM et par microscopie de fluorescence / Two members of the Visinin-Like Proteins (VILIPs) family, VILIP-1 and VILIP-3, have been studied using two biomimetic membrane models, the Langmuir monolayers coupled to the Brewster angle microscopy (BAM) and the supported lipid bilayers (SLB) visualized by atomic force microscopy (AFM). Using these two models, we have shown that VILIPs, N-myristoylated proteins with four EF-hands, have a membrane interaction kinetic that increases in the presence of calcium, probably due to the presence of a "calcium-myristoyl switch" mechanism. Tn contrast, the use of unmyristoylated proteins revealed that the presence of the myristoyl group is not the only factor necessary for the interaction of these proteins with the membrane. The presence of a N- terminal lysine-rich region allows this family of proteins to interact through electrostatic interactions with membranes containing anionic lipids and particularly the phosphatidylionisitol-4,5-biphosphate (PIP2). The presence of a small percent of phosphoinositide in the membrane is responsible for the acceleration of the binding rate of VILIPs, which is consistent with their subcellular location in cellulo. Finally, a new membrane model of peptide tethered lipid bilayers (pep-tBLM) grafted onto a gold surface was developed. The method described in this manuscript allows the formation of tBLM, containing the desired lipid composition, by using a home-designed peptide as tether. The formation is followed in real time by surface plasmon resonance imaging (SPRi) and has been characterized by AFM and fluorescence microscopy