Les émissions liées à la combustion de la biomasse et des carburants fossiles constituent des sources significatives de particules dans l'atmosphère. Les particules de suie émises par les turboréacteurs aéronautiques dans la basse stratosphère et la haute troposphère, zones sensibles de l'atmosphère, ont un impact sur le forçage radiatif global de par la formation de<br />traînées de condensation qui peuvent évoluer en nuage de type cirrus. Par ailleurs, ces particules de taille submicrométrique, dont l'impact sur la qualité de l'air est avéré, sont également source de questionnement quant à leur(s) effet(s) sur la santé publique.<br />La présente étude a pour objet la détermination expérimentale des caractéristiques physiques et chimiques des particules de suie émises par des turboréacteurs d'avions commerciaux. Les prélèvements sont effectués sur un banc d'essai de la société SNECMA<br />(groupe SAFRAN) par un dispositif mis au point au cours de ce travail et localisé derrière des turboréacteurs CFM56-5C et CFM56-5B qui équipent respectivement des avions long-courriers et moyen-courriers.<br />Diverses techniques expérimentales telles que la microscopie électronique en transmission (MET), la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectrométrie dispersive d'énergie de rayons X (XREDS), et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) sont mises en oeuvre pour étudier la morphologie, la structure, la distribution en taille, la composition chimique élémentaire des particules primaires de suie, et la nature des groupes fonctionnels présents à leur surface. La dimension fractale ( Df ) des agrégats de suie et leur diamètre de giration ( d g ) sont également établis.<br />Les résultats expérimentaux montrent que les suies émises par les deux turboréacteurs<br />étudiés présentent :<br />- des valeurs similaires de la dimension fractale des agrégats<br />- des distributions en taille log-normales pour les particules primaires et les agrégats<br />- des compositions chimiques élémentaires et des groupes fonctionnels très similaires<br />- des diamètres de giration des agrégats qui diffèrent<br />Par ailleurs, nous montrons que la phase de préparation des échantillons, préalable aux observations en MEB, a une influence importante sur la valeur déterminée de la moyenne géométrique de la distribution en taille des particules primaires. Par conséquent, nous préconisons de réaliser l'étude des caractéristiques physiques des particules primaires de suie aéronautique par MET plutôt que par MEB.

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

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

Nous avons analysé par cryomicroscopie électronique la morphologie et la structure de longues chaines d’ADN condensées par un polycation tétravalent, la spermine (polyamine). Les expériences ont été réalisées i) avec des solutions de chaînes diluées et ii) avec des chaines isolées confinées dans la capside d’un virus.Les expériences ont été réalisées avec de l’ADN Lambda (48kbp) en solution diluée (0.03 mM Ph) et à faible concentration ionique (10 mM Tris HCl, 1 mM EDTA, pH 7.6). Nous avons exploré une large gamme de concentrations en spermine, allant du seuil de précipitation (0.05 mM sp) jusqu’à la limite de re-solubilization et au-delà (400 mM sp). Seize minutes après mélange de l’ADN et de la spermine, les échantillons sont piégés en film mince et vitrifiés à basse température pour garder intactes les conditions ioniques, puis imagés à basse température sous faibles doses d’électrons (cryoMET). La plupart des chaînes d’ADN forment des agrégats de tores de structure hexagonale avec des interdistances entre hélices de 2.93, 2.88, et 2.95 nm pour des concentrations en spermine respectivement égales à 0.05, 1 et 100 mM spermine, ce qui est en bon accord avec les données collectées précédemment par diffraction des rayons X. A concentration plus élevée en spermine (200mM), les tores hexagonaux sont remplacés par des faisceaux cholestériques de structure plus lâche (3.32 nm entre hélices). Nous en déduisons que la forme comme la structure des condensats cristallins liquides ADN-sp sont liées aux interdistances entre hélices et déterminés par les conditions ioniques i.e. par l’énergie cohésive entre chaînes d’ADN. En dehors du domaine de précipitation (400mM sp), les molécules d’ADN forment un réseau soluble de fines fibres (4-6nm de diamètre) qui nous amènent à reconsidérer l’état de ces chaiînes en présence de spermine. Nous avons également conçu des expériences pour visualiser les agrégats formés 6 à 60 sec après addition de la spermine dans les mêmes conditions de tampon. Parmi les nombreuses formes originales que nous avons observées (absentes après 16 min), la présence de fibres étirées ou en hélice, visibles seulement après 9sec, nous conduit à proposer que les chaines d’ADN soient immédiatement étirées après addition de spermine puis relaxent sous forme de fibres hélicoïdales qui donnent naissance à de petits toroids (comprenant quelquefois moins d’une chaine) qui grandissent et fusionnent. Nous avons également analysé les dimensions de l’ensemble des tores observés et montré l’existence de contraintes géométriques qui restent à élucider. Puisqu’il était généralement impossible de prévenir l’agrégation des chaines d’ADN, nous avons choisi une autre approche pour analyser le collapse de chaines d’ADN individuelles. Nous avons utilisé une population de virus T5 contenant une fraction de leur génome initial (12-54 kbp). La molécule d’ADN, initialement confinée dans le petit volume de la capside (de de 80nm diamètre) est collapsée par addition de spermine. Par comparaison avec le premier jeu de données, nous avons travaillé à concentration plus élevée en ADN (0.45 mM Phosphates dans l’ensemble de l’échantillon) et la concentration en spermine a été ajustée entre 0.05 et 0.5 mM (ce qui correspond à des rapports de charges +/- bien inférieurs). Ces expériences ont donc été réalisées au voisinage de la ligne de précipitation, dans la « région de coexistence », entre le domaine où les chaines sont en condition de pelote et le domaine ou les chaines sont toutes collapsées sous forme de tores. Nous avons montré l’existence de formes intermédiaires entre ces deux états que nous appelons « tores chevelus » dans lesquels une partie de la molécule est condensées dans le tore alors que l’autre partie reste non condensée. Les distances entre hélices ont également été mesurées. Elles sont plus grandes dans ces structures intermédiaires que dans les tores formés à plus forte concentration en spermine. Ces deux séries d’expériences montrent l’intérêt des méthodes de cryo-microscopie pour étudier la structure locale des phases condensées de l’ADN. Nous avons montré comment le confinement modifie le comportement de l’ADN en solution et l’intérêt d’étudier ces effets compte tenu de son importance dans le contexte biologique. / By using cryo-electron microscopy, we analyzed the morphology and structure of long double-stranded DNA chains condensed upon addition of varying amounts of the tetravalent polycation spermine (polyamine). Experiments have been performed i) with chains diluted in the bulk and ii) with individual chains confined in a virus capsid.Bulk experiments have been done with lambda DNA (48.5 kbp) at low concentration (0.03 mM Ph) and in low salt conditions (10 mM Tris HCl, 1 mM EDTA, pH 7.6). We explored a wide range of spermine concentration, from the onset of precipitation (0.05 mM sp) up to above the resolubilization limit (400 mM sp). Sixteen min after mixing spermine and DNA, samples have been trapped in thin films and vitrified in liquid ethane to keep ionic conditions unchanged, and imaged at low temperature with low doses of electrons (cryoTEM). DNA chains mostly form large aggregates of toroids in which DNA chains are hexagonally packed with interhelical spacings of 2.93, 2.88, and 2.95 nm at 0.05, 1 and 100 mM spermine, respectively, in agreement with previous X-ray data. At higher spermine concentration (200 mM), hexagonal toroids are replaced by cholesteric bundles with a larger interhelical spacing (3.32 nm). We conclude that the shape and the structure of the liquid crystalline sp-DNA condensates are linked to the DNA interhelix spacing and determined by the ionic conditions i.e. by the cohesive energy between DNA strands. Outside of the precipitation domain (400 mM spermine), DNA chains form a soluble network of thin fibers (4-6 nm in diameter) that let us reconsider the state of these DNA chains in excess of spermine. We also designed experiments to visualize condensates formed 6-60 sec after mixing Lambda DNA with 0.05 mM spermine, under identical buffer conditions. Among multiple original shapes (not found after 16 min), the presence of stretched and helical elongated fibers seen only 9sec after addition of spermine let us propose that DNA chains are immediately stretched upon addition of spermine, relax into helical structures and finally form small toroids (containing in some cases less than one Lambda chain) that further grow and aggregate. We also analyzed the dimensions and structural details of the complete collection of toroids, and reveal the existence of geometric constraints that remain to be clarified. Since it was only exceptionally possible to prevent the aggregation of DNA in dilute solution, we used another approach to observe the collapse of single DNA chains. We handled a population of T5 viruses containing a fraction of their initial genome (12-54 kbp long). The Na-DNA chain, initially confined in the small volume of the capsid (80nm in diameter) is collapsed by the addition of spermine. Compared to the first set of experiments, we explored a higher DNA concentration range (0.45 mM Phosphates in the whole sample) and the spermine concentration was varied from 0.05 to 0.5 mM (which corresponds to much lower +/- charge ratios). Experiments are thus performed close to the precipitation line, in the coexistence region, between the region where all chains are in a coil conformation, and the region where all chains are collapsed into toroids. We describe the existence of intermediate states between the coil and the toroidal globule that were not reported yet. In these “hairy toroids”, part of the DNA chain is condensed in the toroid and the other part stays uncondensed outside of it. The interhelical spacing was also measured; it is larger in these partly-condensed toroids than in the fully organized toroids formed at higher spermine concentration.These two series of experiments show the interest of cryoEM to analyze the structural polymorphism and local structure of spermine-DNA aggregates. We also demonstrated how the confinement interferes with DNA condensation and the interest to investigate such effects that are important in the biological context.

Les matériaux vitreux sont de bons candidats pour répondre à des applications à haute température, comme par exemple des joints de scellement pour piles à combustibles ou des revêtements de protection. Ils restent toutefois des matériaux fragiles susceptibles de se fissurer sous sollicitations thermiques ou mécaniques. Des études ont montré qu’ils présentent la capacité de s'auto-réparer sans intervention extérieure, par mécanisme de cicatrisation autonome. Cette dernière est obtenue par ajout d'un agent de cicatrisation (particules actives) à la matrice vitreuse. Lors de l'apparition d'une fissure, les particules métalliques s'oxydent au contact de l'atmosphère à haute température pour former des oxydes fluides qui s’écoulent dans la fissure et forment un nouveau verre par réaction avec la matrice. Nos travaux ont eu pour objectif de comprendre le fonctionnement et les mécanismes de cicatrisation dans la gamme de température 500-800°C, à partir de particules génératrices des oxydes V2O5 et B2O3. Les influences des paramètres environnementaux et de la composition chimique du système sur la capacité de cicatrisation, ont été étudiées in situ par microscopie environnementale à haute température. Afin de répondre à des applications dans le domaine aéronautique, nous avons fait évoluer le système vers de plus hautes températures. La capacité de cicatrisation de nouveaux composites plus réfractaires a été étudiée dans la gamme 1000-1200°C. La mise en œuvre de matériaux auto-cicatrisants en couches minces permet d'envisager des applications en tant que revêtement. Nous avons ainsi montré la faisabilité de dépôts de ces matériaux par la technique d'ablation laser pulsée. / Glassy materials are good candidates for high temperature applications, such as sealant for solid oxide fuel cells (SOFC) or protective coatings. To overcome cracking of the glass when subjected to thermal cycles, self-healing has been shown to be a promising solution. The self-healing property is defined as the capacity of a material to recover its mechanical integrity and initial properties after destructive actions of external environment or under internal stresses. An autonomous self-healing of cracks can be achieved using a healing agent (active particles) incorporated into the glass matrix. When a crack occurs, the active particles will oxidize by contact with the atmosphere at high temperature to form fluid oxides capable to fill the crack and to form a new glass after reaction with the glass matrix. Our aim intended to understand the self-healing mechanism in the temperature range of 500-800°C, using particles leading to the formation of the V2O5 and B2O3 oxides. Influence of environmental parameters and chemical composition of the system on the self-healing capability has been investigated using high temperature environmental microscopy (HT-ESEM).In order to access to aeronautical applications, we studied the capacity of more refractory composites to produce crack healing at higher temperature (>1000°C). The elaboration of such self-healing materials as thin layers would enable their application as protective coating. The last part of our work aimed at studying the deposition of glass and active particles by pulsed laser deposition.

L'utilisation récente des nanoparticules (NPs) comme vecteurs pour l'imagerie et l'adressage d'agents thérapeutiques en nano-médecine nécessite la compréhension de leurs mécanismes d'internalisation et de transport au niveau des barrières biologiques. Dans ce contexte, l'objectif de cette étude est de caractériser l'interaction et la transcytose de NPs de silice fluorescentes en fonction de leur taille (15, 50 et 100 nm) dans un modèle in-vitro de barrière endothéliale pulmonaire humaine. L'internalisation et le transport trans-endothélial des NPs a été analysé quantitativement à l'échelle nanométrique par microscopie électronique à transmission (MET) combinée à de la stéréologie. Un transport trans-endothélial a été observé pour toutes les tailles de NPs. Néanmoins, l'analyse de la distribution intracellulaire révèle une tendance à l'accumulation dans les voies de dégradation cellulaires pour les NPs de 50 et 100 nm. Cette accumulation est moindre pour les NPs de 15 nm. L'internalisation des NPs a également été analysée par cytométrie en flux et MET en présence de différents inhibiteurs de l'endocytose dans le but d'identifier leurs voies d'internalisation. En fonction de la taille des NPs, les mécanismes d'endocytose varient, suggérant une dépendance du transport trans-cellulaire à certains mécanismes d'endocytose. L'internalisation des NPs de 15 nm par la voie d'endocytose cavéole dépendante pourrait ainsi expliquer l'efficacité de leur transport du côté basal. Les méthodologies développées pour l'étude du transport trans-cellulaire des NPs de silice peuvent être appliquées à l'étude de NPs synthétiques plus complexes ou de NPs biologiques, telles que les lipoprotéines de basse-densité, et ce dans un contexte pathologique. / The recent use of nanoparticles (NPs) as carriers for imaging and delivery of therapeutics agents in nanomedecine involves understanding their endocytosis and transcytosis mechanisms at biological barriers. In this context, the aim of this study was to characterize the interaction and transcytosis of fluorescent silica NPs in function of their size (15, 50, and 100 nm) in an in-vitro model of human pulmonary endothelial barrier. NPs internalization and trans-endothelial transport has been quantitatively analyzed at nanometer resolution using transmission electron microscopy (TEM) combined with stereology. Trans-endothelial transport has been observed for each size of NPs. However cellular distribution analysis shows an accumulation in the cellular degradation pathways for 50 nm and 100 nm NPs. Whereas 15 nm NPs are less accumulated. NPs uptake was also analyzed by flow cytometry and TEM in the presence of different inhibitors to decipher NPs internalization pathways. Depending on NPs size, the involved endocytosis pathways were different, suggesting a dependency of trans-cellular transport toward endocytic mechanisms. The specific internalization of 15 nm NPs by the caveolin dependant pathway could explain the efficacy of their release at the basal side. Techniques developed for the study of the trans-cellular transport of silica NPs can also be applied to more complex synthetic NPs or biological NPs, such as low-density lipoproteins, in a pathological context.

La production de nanotubes de carbone monoparois peut s'effectuer soit par des procédés à haute température (> 3000°C) ou à moyenne température (< 1200°C) à partir de nanoparticules. Dans ce travail de thèse nous avons essayé d'apporter quelques éléments de réponses au mécanisme de croissance de nanotubes synthétisés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Nous avons cherché à comprendre, à l'aide de la microscopie électronique en transmission (MET) et ses outils d'analyses, les liens de causes à effets relevant de certains paramètres de synthèse sur la variation du rendement de production de nanotube à faible nombre de parois (< 4 parois). Pour cela, nous avons étudié les nanotubes formés au cours de leur synthèse, ce qui nous a permis de déceler leurs différents stades de formation et de destruction. Nous avons pu déduire le rôle majeur de deux paramètres de synthèse, l'hydrogène et le titane, sur la croissance de nanotube. Par ailleurs, ce travail a mis en évidence pour la première fois, sur des nanoparticules inférieures à 5 nm, deux types de morphologie de germes et de tubes.

Ce travail concerne la stabilité, face à un recuit ou à l'inclusion d'oxydes, des nanostructures formées par dépôt d'agrégats d'argent sur graphite et la possibilité de les organiser spontanément via les défauts de surface.<br />Les agrégats chimiquement hétérogènes sont produits par nucléation réactive et identifiés par spectrométrie de masses à haute résolution. Les dépôts sont imagés par microscopie électronique. Un facteur de forme est défini pour caractériser les morphologies. <br />La présence d'oxygène dans les agrégats provoque la décomposition de la forme fractale en une série de fragments monodisperses et équidistants. L'analogie avec les instabilités de Rayleigh est discutée. Cette relaxation diffère de celle obtenue par activation thermique bien qu'également pilotée par l'auto-diffusion de surface.<br />Lorsque MoO3 est ajouté à O2 pour la nucléation, la synthèse d'agrégats libres de molybdate d'argent est possible par recuit laser. Cette transition dans les spectres de masses se traduit sur le substrat par une diminution de plusieurs ordres de grandeur du coefficient de diffusion des agrégats et par une transition morphologique: les îles, appelées nanochaînes, présentent une anisotropie de croissance, une structure périodique et sont morphologiquement très stables face au recuit. Un mécanisme de croissance est proposé.<br />Le « morphodrome » des dépôts en fonction de la stœchiométrie est établi et la possibilité de piloter a priori les propriétés du film est démontrée. Cet effet s'ajoute à celui de défauts particuliers du graphite pour lesquels une corrélation entre dimension du défaut et diffusion des agrégats est mise en évidence pour la croissance et l'organisation des îles.

Les génomes de bactériophages sont connus pour être mosaïques. Avec l'augmentation des structures disponibles sur ces virus, leur morphologie aussi apparaît de plus en plus comme telle. Les structures de 4 différents intermédiaires dans l'assemblage de la capside icosaédrique du bactériophage Gifsy-2, infectant les bactéries Salmonella ont été résolues par cryo-microscopie électronique jusqu'à une résolution de 12Å. Au niveau génétique, un long gène code en partie Cterminale pour la protéine de capside majeure alors que sa partie Nterminale est fortement similaire du point de vue de sa séquence primaire aux protéases de la famille Clp. Ces résultats et ceux obtenus sur d'autres phages suggèrent que les 200 résidus en partie centrale regroupent les fonctions restantes, nécessaire à l'assemblage de la capside. Cette organisation en un gène unique est une nouvelle variante des stratégies développées par les phages pour modifier la voie d'assemblage de leur capside.<br />Nous avons aussi déterminé les structures de la capside et de la queue du phage T5 , infectant la bactérie E.Coli à des résolutions de 19 et 30 Å respectivement confirmant l'inhabituelle symétrie d'ordre 3 de sa queue. Sa capside icosaédrique est composée par des pentamères et hexamères de pb8 et par pb10 s'attachant au centre de ces derniers, le tout étant décrit par une géométrie T=13. La comparaison des séquences primaires de pb8 et gp5 d'HK97 et la modélisation du modèle atomique de gp5 dans la capside de T5 montrent que ces 2 protéines adoptent sûrement le même repliement 3D. Nous proposons aussi que le domaine Nterminal de la protéine pb8 soit impliqué dans l'assemblage initial de la capside d'une manière similaire à HK97.

Le facteur TFIIH est un facteur multi-protéique impliqué, via ses dix sous-unités, dans la transcription des gènes de classe II et dans la réparation de l'ADN. Chez l'homme, des mutations dans les gènes codant pour des hélicases XPB et XPD de TFIIH sont à l'origine de trois maladies: le Xeroderma Pigmentosum, la Trichothiodystrophie et le Syndrome de Cockayne. Au cours de mes études doctorales, je me suis intéressée aux liens entre la structure et la fonction du facteur TFIIH humain. Nous avons observé le complexe TFIIH produit sous forme recombinante dans les cellules d'insectes en microscopie électronique et sa structure est identique à celle du facteur endogène. Nous y avons ensuite intégré les données biochimiques d'interaction protéine-protéine et nous proposons un modèle général de l'architecture du complexe. Afin de comprendre le rôle de TFIIH dans l'initiation de la transcription ou dans la réparation de l'ADN, nous avons développé une nouvelle technologie visant à observer les complexes ADN-protéine en microscopie. Nous avons également déterminé un modèle en cryomicroscopie du facteur TFIIE, qui interagit physiquement avec TFIIH, à une résolution de 1.6nm. Finalement, nous avons obtenu des cristaux de l'homologue de l'hélicase XPD chez une archaebactérie.