Les biofilms sont des communautés de microorganismes adhérant à une surface et encastrées dans une substance polymérique produite par les cellules du système, dite matrice extracellulaire. Du fait de leur nature ubiquitaire, les biofilms colonisent de nombreux environnements et causent souvent de sérieux problèmes dans les secteurs de la santé et de l’industrie. La dispersion par ajout d’agent chimique est l’une des stratégies de lutte contre les biofilms. Un acide gras, l’acide cis-2-décénoique (CDA), semble être prometteur pour ce faire, grâce à l’étendue de son action dispersante sur les espèces et règnes du vivant. L’objectif de ce travail de thèse est d’investiguer les mécanismes de dispersion des biofilms de l’espèce bactérienne Escherichia coli (E. coli) par la molécule modèle CDA. Le CDA modifie-t-il les structures du biofilm ou induit-il une réponse génétique des bactéries lors de la dispersion ? Pour répondre à ces questions, la dispersion des biofilms d’E. coli a été étudiée in situ dans des chambres microfluidiques par microscopie confocale à balayage laser (CLSM). Des souches bactériennes spécifiques ont été construites par clonage de promoteurs d’intérêt en fusion transcriptionnelle avec un gène codant pour une protéine fluorescente verte. Les résultats confirment l’activité dispersante du CDA avec une réduction significative de la biomasse, de l’épaisseur moyenne et de l’aire de recouvrement par couche du biofilm. Un outil innovant d’analyse d’images CLSM a été développé en collaboration dans le but de déterminer les propriétés structurales du biofilm et l’intensité de fluorescence in situ du rapporteur étudié. Les résultats indiquent une augmentation de l’intensité moyenne de fluorescence des biofilms après dispersion avec le CDA, au niveau global en considérant tout le biofilm et au niveau local en considérant une segmentation du biofilm en microcolonies, ainsi qu’en profondeur. Ces résultats évoquent un changement d’expression génique des bactéries en présence de CDA. Par ailleurs, les résultats montrent que le CDA ne semble pas avoir d’effet en culture planctonique, ni sur la croissance bactérienne ni sur l’activité des promoteurs sélectionnés. Ceci suggère que les effets du CDA sont biofilm-dépendants. / Biofilms are microbial communities adhering to a surface and embedded in a self-produced polymeric substance, called extracellular matrix. By being ubiquitous in nature, biofilms colonize numerous environments, and they often cause serious problems for both health and industry sectors. Dispersion is one of the strategies for fighting biofilms. A fatty acid, cis-2-decenoic acid (CDA), seems to be promising for dispersing biofilms by the extent of its action on different species of microbes. The aim of this thesis work is to investigate the mechanisms of biofilm dispersion of the bacterial species Escherichia coli (E. coli) by the model molecule CDA. Does CDA modify the biofilm structures or does it induce a genetic response from bacteria during dispersion? To answer these questions, E. coli biofilm dispersal has been studied in situ in microfluidic chambers by confocal laser scanning microscopy (CLSM). Specific bacterial strains have been developed by cloning promoters of interest in transcriptional fusion with a gene encoding for a green fluorescent protein. The results confirm the dispersing activity of CDA with a significant decrease of biomass, biofilm average thickness and area over biofilm depth. A novel tool for analyzing CLSM images has been developed in collaboration in order to measure the biofilm structural properties as a function of in situ fluorescence intensity of the studied reporter. The results indicate an increase in the mean fluorescence intensity of the biofilms after dispersion with CDA, at a global level for the whole biofilm and at a local scale by considering a biofilm segmentation into microcolonies. These results evoke a change in gene expression by bacteria in the presence of CDA. Furthermore, the results show that CDA does not seem to have an effect on planktonic bacteria, neither on the bacterial growth nor on the activity of the selected promoters. This suggests that the CDA effects are biofilm-dependent.

La microscopie à balayage laser est limitée en résolution par la limite de diffraction de la lumière. Plusieurs méthodes de superrésolution ont été développées depuis les années 90 pour franchir cette limite. Cependant, la superrésolution est souvent obtenue au prix d'une grande complexité (laser de haute puissance pulsé, temps d'acquisition long, fluorophores spécifiques) ainsi que des limitations dans le type d'échantillon observé (observation en surface uniquement). Dans certains cas, comme pour l'illumination structurée et la microscopie SLAM, une amélioration en résolution plus modeste est obtenue, mais avec une complexité et des limites d'utilisation fortement réduites par rapport aux autres méthodes de superrésolution. Les mé- thodes que nous proposons ici sont des méthodes d'augmentation de résolution qui visent à minimiser les contraintes expérimentales et à garder un maximum des avantages des techniques d'imagerie conventionnelles. Dans les cas que nous avons étudiés, les méthodes proposées sont basées sur la microscopie confocale. Nous allons montrer dans un premier temps qu'il est possible d'augmenter de 20% la résolution d'un microscope confocal en changeant le faisceau laser utilisé pour l'excitation par un faisceau Bessel-Gauss tout en ayant un sténopé de la bonne taille (soit 1 Airy Unit). Les avantages de la méthode proposée résident dans sa simplicité d'installation et d'utilisation et sa compatibilité avec d'autres méthodes d'augmentation de résolution. Nous avons démontré les capacités d'augmentation de résolution des faisceaux Bessel-Gauss théoriquement puis exp érimentalement sur des échantillons de nano-sphères et de tissus biologiques obtenant ainsi une résolution de 0.39. Nous avons également montré que l'amélioration en résolution des faisceaux Bessel-Gauss donne une analyse statistique de la colocalisation avec un taux plus faible de faux positifs. Nous avons utilisé des faisceaux Bessel-Gauss de différents ordres pour améliorer la méthode de la microscopie SLAM et ainsi obtenir une résolution descendant à 0.17 (90 nm avec une longueur d'onde de 532 nm). La méthode proposée est entièrement basée sur la microscopie confocale et seul un module permettant de changer le faisceau laser doit être ajouté au montage. Dans un second temps, nous proposons une méthode permettant de bénéficier au maximum des propriétés de la déconvolution pour augmenter la résolution de la microscopie confocale. Pour cela, nous avons utilisé différents modes laser pour l'acquisition d'images et ces images sont utilisées comme données d'entrée pour la déconvolution (avec des mesures des PSF respectives). Les faisceaux laser utilisés apportent ainsi des informations complémentaires à l'algorithme de déconvolution permettant ainsi d'obtenir des images avec une résolution encore meilleure que si une simple déconvolution (utilisant le même algorithme) était utilisée sur l'image confocale. Par la suite, nous avons changé les faisceaux laser par des faisceaux Bessel-Gauss pour augmenter davantage l'ecacité de la déconvolution. Encore une fois, la méthode proposée est entièrement basée sur la microscopie confocale et seul un module permettant de changer le faisceau laser doit être ajouté au montage. Enfin, nous proposons d'aborder une méthode de reconstruction en trois dimensions par tomographie basée sur des projections obtenues en microscopie à deux photons utilisant les faisceaux Bessel-Gauss. En focalisant des faisceaux Bessel-Gauss à angle en microscopie deux photons, on obtient une série de projections utilisables pour une reconstruction tomographique. Le but est de tester la faisabilité de la méthode qui permettrait de reconstruire un volume, en nécessitant moins d'images que dans le cas d'une acquisition plan par plan, en microscopie deux photons classique. / Laser scanning microscopy is limited in lateral resolution by the diffraction of light. Superresolution methods have been developed since the 90s to overcome this limitation. However, superresolution is generally achieved at the cost of a greater complexity (high power lasers, very long acquisition times, specic uorophores) and limitations on the observable samples. In some cases, such as Structured Illumination Microscopy (SIM) and Switching Laser Modes (SLAM), a more modest improvement in resolution is obtained with a reduced complexity and fewer limitations. We propose here methods which improve the resolution while minimizing the experimental constraints and keeping most of the advantages of classical microscopy. First, we show that we can improve by twenty percent the resolution of confocal microscopy by using Bessel-Gauss beams, and by having the right pinhole size (1 Airy Unit), compared to conventional Gaussian beam based confocal microscopy. The advantages of this strategy include simplicity of installation and use, linear polarization compatibility, possibility to combine it with other resolution enhancement and superresolution strategies. We demonstrate the resolution enhancement capabilities of Bessel-Gauss beams both theoretically and experimentally on nano-spheres and biological tissue samples with a resolution of 0.39. We achieved these resolutions without any residual artifacts coming from the Bessel-Gauss beam side lobes. We also show that the resolution enhancement of Bessel-Gauss beams leads to a better statistical colocalization analysis with fewer false positive results than when using Gaussian beams. We have also used Bessel-Gauss beams of different orders to further improve the resolution by combining them in SLAM microscopy achieving a resolution of 0.17 (90 nm with a wavelength of 532 nm). In a second step, we propose a method to improve the resolution of confocal microscopy by combining different laser modes and deconvolution. Two images of the same eld are acquired with the confocal microscope using different laser modes and are used as inputs to a deconvolution algorithm. The two laser modes have different Point Spread Functions and thus provide complementary information leading to an image with enhanced resolution compared to using a single confocal image as input to the same deconvolution algorithm. By changing the laser modes to Bessel-Gauss beams, we were able to improve the effciency of the deconvolution algorithm and to obtain images with a residual Point Spread Function having a width smaller than 100 nm. The proposed method requires only a few add-ons to the classic confocal or two photon microscopes. Finally, we propose a three dimensional tomography reconstruction method using Bessel-Gauss beams as projection tools in two-photon microscopy. While focussing Bessel-Gauss beams at an angle in two photon microscopy, we can obtain a series of projections that can be used for tomography reconstruction. The aim is to test the practicality of the methods allowing to reconstruct a volume while using fewer images than plane by plane acquisitions as in classic two-photon microscopy.

Les suspensions concentrées et les verres colloïdaux forment une classe de matériaux intéressante d'un point de vue de la physique mais également des applications. Ces matériaux présentent des comportements rhéologiques remarquables comme la présence d'un seuil d'écoulement, des phénomènes de glissement ou encore des dynamiques de relaxation très lentes et du vieillissement. Les techniques rhéologiques classiques ne permettant pas à elles seules de remonter à l'origine microscopique de ces phénomènes, il est nécessaire de les associer à des techniques permettant de sonder la structure et la dynamique à des échelles très locales. Dans ce travail nous développons et mettons en œuvre une série d'outils complémentaires utilisant la diffusion multiple de la lumière ou la microscopie par fluorescence et nous les appliquons à l'étude de la dynamique de suspensions concentrées de microgels polyélectrolytes au voisinage de l'équilibre, en cours de vieillissement ou en écoulement. Les principaux résultats portent sur la mesure des propriétés viscoélastiques linéaires dans une fenêtre de fréquences comprises entre des temps browniens et plusieurs heures, sur le vieillissement physique, et sur le rôle des parois dans la structuration des écoulements.

Les neurones sont des cellules excitables capables de coder et transmettre l’information sous forme d’oscillations du potentiel membranaire. Cette activité électrique est produite par une modification des flux ioniques transmembranaires. Les neurones constituent un exemple d’oscillateur cellulaire dont la dynamique non linéaire permet l’apparition d’une activité électrique complexe. Dans ce système, les ions calciques sont des messagers intracellulaires importants. Ils servent de médiateur entre un signal électrique et un signal chimique, par une modulation de l’activité enzymatique de certaines protéines. Ils interviennent dans de nombreuses fonctions neuronales, dont l’excitabilité électrique. Un des mécanismes mis en place par les neurones pour contrôler l’homéostasie du calcium intracellulaire provient de protéines cytoplasmiques capables de lier les ions calciques. Ces protéines jouent un rôle de « tampon » du calcium. Cependant, toutes leurs fonctions n’ont pas encore été mises en évidence. C’est l’objectif de notre travail. Nous avons voulu comprendre le rôle joué par une protéine « tampon » particulière, la calrétinine, sur le mode de décharge électrique d’un neurone où elle est exprimée en abondance, le grain cérébelleux. Pour cela, nous avons utilisé une approche théorique et expérimentale. Au niveau théorique, nous avons élaboré un modèle mathématique de l’activité électrique du grain cérébelleux, prenant en compte la chélation du calcium intracellulaire. Il permet de clarifier le rôle de la chélation du calcium intracellulaire sur les oscillations du potentiel membranaire. La modélisation de l’activité électrique du grain cérébelleux repose sur le formalisme développé par Hodgkin et Huxley pour l’axone géant de calmar. Dans ce contexte, l’application de la conservation de la charge au circuit équivalent de la membrane cellulaire fournit un système d’équations différentielles ordinaires, non linéaires. Dès lors, notre modèle nous a permis d’étudier l’impact des variations de la concentration de chélateur calcique sur les oscillations du potentiel membranaire. Nous avons ainsi pu constater qu’une diminution de la concentration en chélateur calcique induisait une augmentation de l’excitabilité électrique du grain cérébelleux, sans altérer le régime d’oscillations. Par contre, en augmentant fortement la concentration en chélateur calcique, nous avons montré que le grain cérébelleux changeait de dynamique oscillatoire, montrant des transitions d’un mode de décharge périodique régulier vers des oscillations en salve du potentiel membranaire. Au niveau expérimental, nous avons vérifié les résultats prévus par le modèle théorique. Nous avons ainsi montré que des grains de souris transgéniques déficientes en calrétinine présentaient une excitabilité électrique accrue par rapport aux grains contrôles. Puis, en restaurant un niveau de chélation calcique normal dans ces grains, par perfusion intracellulaire de chélateur calcique, nous montrons qu’ils retrouvent un niveau d’excitabilité normal. Ensuite, nous avons introduit dans des grains cérébelleux de souris sauvages, une forte concentration en chélateur calcique exogène. Conformément aux résultats théoriques, nous avons pu observer des transitions vers des oscillations en salve du potentiel membranaire. Enfin, nous avons montré que l’absence de calrétinine affecte les paramètres morphologiques du grain cérébelleux des souris transgéniques déficientes en calrétinine. En conclusion, ces résultats suggèrent que le mode de décharge des cellules excitables peut être modulé d’une façon importante par les protéines liant le calcium. De ce fait, des changements dans le niveau d’expression et/ou dans la localisation subcellulaire des protéines liant le calcium pourraient aussi jouer un rôle critique dans la régulation de processus physiologiques contrôlés par l’excitabilité membranaire. De plus, les mécanismes que nous avons mis en évidence pourraient être à l’origine d’un nouveau principe de régulation de la signalisation dans les circuits neuronaux et pourraient jouer un rôle fonctionnel dans le contrôle du codage de l’information et de son stockage dans le système nerveux central.

De nouveaux nano-objets anisotropes fluorescents sont obtenus par l’assemblage d’acènes spécifiquement conçus. Dans des cristaux, nano-rubans et nanoparticules anisotropes de 2,3-dialkyldiphenylanthracènes, les efficacités et la polarisation de l’émission bleue sont remarquables. La couleur de l’émission est accordée par le dopage avec des émetteurs verts et oranges (di- et tétra-phényltétracènes). La microscopie confocale de fluorescence permet d’étudier les cinétiques des états excités et des transferts d’énergie photo-induits, ainsi que la dispersion et les orientations des émetteurs. Pour la première fois, l’influence de la largeur de nano-rubans sur la cinétique d’annihilations triplet-triplet de tétracènes est mise en évidence. La microscopie révèle également le polymorphisme inhabituel d’un dérivé diéthynylphényl-anthracène. Ce travail ouvre des perspectives pour le développement et l’étude de processus fondamentaux de nano-matériaux luminescents. / New fluorescent anisotropic nano-objects are obtained by the assembly of specifically designed acenes. In crystals, nano-ribbons and anisotropic nanoparticles of 2,3-dialkyldiphenylanthracenes, the efficiencies and the polarization of the blue emission is remarkable. The color of the emission is tuned by doping with green and orange emitters (di-and tetra-phenyltetracenes). Confocal fluorescence microscopy is used to study the kinetics of excited states and photo-induced energy transfers, as well as the dispersion and orientation of the emitters. For the first time, the influence of the width of the nano-ribbons on the kinetics of tetracene triplet-triplet annihilations is highlighted. Microscopy also reveals the unusual polymorphism of a diethynylphenyl anthracene derivative. This work opens perspectives for the development and study of fundamental processes of luminescent nano-materials.

Dans les environnements naturels, industriels ou médicaux, les microorganismes sont majoritairement présents en étant associés aux surfaces dans des communautés hautement organisées appelées biofilms. Ces édifices biologiques constituent une stratégie de survie étonnement efficace témoignant d’une grande capacité de résistance à différent stress environnementaux tels que les traitements de nettoyage et de désinfection. L’impact des biofilms d’un point de vue sanitaire est donc considérable du fait qu’ils permettent la persistance et la transmission de germes pathogènes dans l’environnement. Dans ce contexte, ce travail de thèse avait pour objectif une meilleure compréhension des phénomènes limitant l’efficacité de désinfectants au sein des biofilms en s’appuyant notamment sur des techniques innovantes d’imagerie de fluorescence non-invasive. Le but final étant d’apporter des éléments utiles à l’optimisation des traitements de désinfection. Dans une première partie, une méthode d’investigation structurale à haut-débit par microscopie confocale a été développée et utilisée pour étudier la diversité architecturale des biofilms bactériens formés par un large panel de souches. Cette étude nous a permis d’identifier des souches d’intérêt en termes de structures de biofilms formés pour la suite du travail. Nous avons notamment pu mettre en évidence la capacité de B. subtilis à former des structures importantes et avec une architecture spécifique dans un système immergé. Dans une deuxième partie, les dynamiques d’action spatiotemporelles de désinfectants ont été visualisées dans les biofilms de souches de P. aeruginosa ou B. subtilis par des approches de microscopie confocale de fluorescence en temps réel. L’utilisation de cette technique nous a permis de mettre en évidence les difficultés de pénétration du chlorure de benzalkonium au sein des structures formées par différentes souches de P. aeruginosa. La corrélation des paramètres cinétiques d’inactivation et des données obtenues par la caractérisation biochimique de la matrice suggère un rôle majeur des substances extracellulaires dans la limitation de pénétraton du désinfectant. Nous avons également pu montrer une résistance marquée du biofilm formé par une souche de B. subtilis isolée d’un dispositif médical à l’acide péracétique, à la concentration et au temps d’utilisation du biocide dans le milieu médical. De plus, les structures tridimensionnelles formées par cette souche étaient capables de protéger le pathogène Staphylococcus aureus dans un biofilm mixte vis-à-vis du même traitement soulignant l’importance des interactions multi-espèces dans la résistance des bactéries aux désinfectants et la persistance de pathogènes dans nos environnements. / In natural, industrial or medical environments, microorganisms are present mainly in being associated with surfaces in highly organized communities called biofilms. These biological structures cosntitute a surprisingly effective survival strategy showing a large ability to withstand environmental stresses such as cleaning and disinfection treatments. Therefore, biofilms have a considerable impact on public health because they allow the persistence and transmission of pathogens. In this context, this work aimed to better understand the phenomena limiting the effectiveness of disinfectants in biofilms noticeably by using innovative imaging fluorescence non-invasive techniques. The ultimate goal was to provide data which can help to optimize disinfection treatments. In the first part, a high-throughput structural method based on confocal microscopy was developed and used to study the architectural diversity of bacterial biofilms formed by a wide range of strains. This study allowed us to identify strains of interest in terms of biofilm structure for the second part of the work. In particular, we demonstrated the ability of B. subtilis to form protruding structures with a specific architecture in a submerged system. In the second part, the spatiotemporal dynamic of the action of disinfectants were visualized in the biofilms of P. aeruginosa or B. subtilis strains by a time-lapse fluorescence confocal microscopy method. Using this technique, we showed that benzalkonium chloride encountered problems of penetration in the biofilms formed by P. aeruginosa strains. The correlation of kinetic inactivation parameters and data obtained by the characterization biochemical matrix suggested a key role of extracellular substances in the penetration limitations of the disinfectant. We also observed a pronounced resistance of the biofilm formed by a strain of B. subtilis isolated from a medical device to peracetic acid at the in-use concentration and time of biocide in medical areas. In addition, three-dimensional structures formed by this strains afforded protection to the pathogen Staphylococcus aureus in mixed biofilm against the same treatment This point highlights the importance of multi-species interactions in bacterial resistance to disinfectants and in the persistence of pathogens in our environments.

Le mélanome est un cancer agressif dont la progression est facilitée par la dégradation de la matrice extracellulaire, à la fois par les fibroblastes et les cellules tumorales. Cette dégradation génère des peptides d’élastine, notamment responsables de la prolifération des cellules saines et cancéreuses. Le peptide d’élastine (VGVAPG)3 accélère la reprise et le déroulement du cycle cellulaire de fibroblastes normaux et de cellules de mélanomes préalablement synchronisés (expression de pKi-67, détection de la phase S et quantification d’ADN). L’architecture nucléaire associée à la reprise de la synthèse des ARNm concerne les compartiments nucléaires PML-NBs et domaines SC35, partenaires indissociables de la transcription et de l’épissage, qui sont étudiés, après immunomarquages, en microscopie confocale suivie d’une reconstruction 3D. Les compartiment PML-NBs et domaines SC35 se réorganisent en fonction d’une part des phases du cycle cellulaire et d’autre part de l’activité transcriptionnelle, passant d’une séquestration du SC35 dans les PML-NBs à une interpénétration des deux compartiments. L’analyse quantitative de ces compartiments complète les résultats architecturaux en 3D. Le peptide se fixe sur le complexe récepteur de l’élastine, et induit de l’activation de la voie MEK ½ ERK ½. Un antagoniste de cette fixation (lactose) ainsi que l’inhibition de la voie ERK ½ (UO126) conduisent à l’abolition des effets dus au peptide tant pour le cycle cellulaire que pour l’organisation des PML-NBs et domaines SC35, confirmant ainsi l’implication de ces voies. / Melanoma is an aggressive cancer for which invasion is facilitated by degradation of the extracellular matrix, both by normal fibroplasts and tumor cells. This degradation generates elastin peptides, in particular responsible for the proliferation of normal and tumor cells. The elastin peptide (VGVAPG)3. accelerates recovery and progression in cell cycle of normal fibroblasts and melanoma cells previously synchronized (expression of pKi-67, S-phase detection and quantification of DNA). The nuclear architecture associated with the recovery of the synthesis of mRNA on the PML-NBs nuclear compartments and SC35 domains, inseparable partners of transcription and splicing, which are studied after immunostaining by confocal microscopy followed by 3D reconstruction. Compartments PML-NBs and SC35domains are reorganized according of the phases of the cell cycle and also the transcriptional activity, from SC35 sequestration in PML-NBs to an interpenetration of the two compartments. The quantitative analysis of these compartments consolidates the 3D architectural results. The peptide binds to the elastin receptor complex and induceds the activation of the MEK 1/2 ERK 1/2. An antagonist of the fixation (lactose) and inhibition of ERK 1/2 (UO126) lead to the abolition of effects due to the peptide for both the cell cycle and the organized of PML-NBs and SC35 domains, confirming the involvement of these pathways.

Grâce aux innovations technologiques récentes, l’exploration cutanée est devenue de plus en plus facile et précise. Le relevé topographique de la surface de peau par projection de franges ainsi que l’exploration des structures intradermiques par microscopie confocale in-vivo en sont des exemples parfaits. La mise en place de ces techniques et les développements sont présentés dans cette thèse. L’apport de l’imagerie est évident tant pour le traitement des acquisitions de ces appareils que pour l’évaluation de paramètres cutanés à partir de photographie par exemple. L’extension du modèle LIP niveaux de gris à la couleur a été réalisée pour apporter une évaluation proche de celle d’un expert grâce aux fondements logarithmiques du modèle, proches de la vision humaine. Enfin, la classification de données dans une image, sujet omniprésent dans le traitement d’images, a été abordée par les classifications hiérarchiques ascendantes, utilisant un cadre mathématique rigoureux grâce aux métriques ultramétriques / Thanks to recent developments, skin evaluation has become easier and more accurate. Topographical evaluation of skin surface by fringes projection as intra-dermal structures and exploration by in-vivo laser confocal microscopy are some examples. The use and development of these tools are developed in this thesis. Image processing contribution is obvious, as much for the treatment of these tools acquisitions, as for cutaneous parameters evaluation, based on digital camera acquisitions for example. Grey level LIP model extension to color has been realized in order to bring way of analysis near to the expert one, thanks to logarithmic bases of this model, very close to the human vision. At least, data clustering in images, a redundant topic in image analysis, has been approached by ascending hierarchical clustering, using rigorous mathematical properties thanks to the ultrametric distances

La gestion et transmission d’information au sein d’organismes vivants implique la production et le trafic de molécules via des voies de signalisation sutructurées en réseaux de réactions chimiques. Ces derniers varient selon leur forme, taille ainsi que la nature des molécules mises en jeu. Parmi eux, les réseaux de régulation génétiques nous ont servi de modèle pour le développement et la mise en place d’un système de programmation moléculaire in vitro. En effet, l’expression d’un gène est majoritairement dominé par des facteurs de transcription, autres protéines ou acides nucléiques, eux-mêmes exprimés par d’autres gènes. L’ensemble forme l’interactome de la cellule, carte globale des interactions entre gènes et sous-produits, où la fonction du réseau est relié à sa topologie. L’observation des noeuds et sous-architectures dénote trois mécanismes récurrents : premièrement, la nature des interactions est de type activation ou inhibition, ce qui implique que tout comportement non trivial est obtenu par une combinaison de noeuds plutôt que le développement de nouvelles interactions. Ensuite, la longévité du réseau est assurée par la stabilité chimique de l’ADN couplée à la chimiosélectivié des réactions enzymatiques. Enfin, l’aspect dynamique est maintenu par le constant anabolisme/catabolisme des intermédiaires et donc l’utilisation de combustible/énergie. C’est suivant ces observations que nous avons développé un ensemble de trois réactions enzymatiques élémentaires : la «PEN-DNA toolbox». L’architecture du réseau, à savoir les connections entre les noeuds est médiée par la séquence de brins d’ADN synthétiques (appelés matrice), et trois enzymes (polymérase, nickase, et exonucléase) assurent la catalyse des réactions chimiques. La production et dégradation des intermédiaires consomme des désoxyribonucléotides triphosphates et rejette des désoxyribonucléotides monophosphate, dissipant ainsi le potentiel chimique. Les réactions sont suivies grâce au greffage d’un fluorophore sur le brin matriciel et au «nucleobase quenching» qui intervient lorsqu’une base d’un intermédiaire se rapproche du fluorophore après hybdridation sur le brin matriciel. L’activation correspond alors à la synthèse d’un brin output en réponse à un brin input, alors que l’inhibition survient lorsqu’un brin output s’hybride sur un brin matriciel, empêchant ainsi à l’input correspondant de s’y fixer. Oscillations, bistabilité et mémoire sont des exemples de comportements implémentés en PEN-DNA toolbox, faisant appel à des architectures de plus en plus complexes. Pour cela, un réglage fin des concentrations en effecteurs (ADN et enzymes) est nécessaire, ce qui sous-tend l’existence de plusieurs comportements pour un même circuit, dépendant des conditions paramétriques. L’établissement d’une carte de chaque combinaison de paramètres avec le comportement global associé permettrait de comprendre le fonctionnement du réseau dans son ensemble, et donnerait accès à tous les comportements disponibles. Dans le cas d’un système dynamique non linéaire, une telle carte est un diagramme de bifurcation du système. Pour explorer de manière exhaustive les possibilités d’un réseau dans un cadre expérimental raisonable, nous avons développé une plateforme microfluidique capable de générer des goutelettes d’eau dans l’huile à partir de quatres canaux aqueux différents. Ce dispositif nous donne accès, grâce à un contrôle fin des contributions de chaque canal aqueux, à des goutelettes monodisperses (volume de l’ordre du picolitre) dont le contenu est différent pour chaque goutelette. Nous avons adapté notre dispositif aux contraintes matérielles (design microfluidique, génération de goutelettes à contenu différents et controllés, observation et stabilité à long terme) et techniques (tracabilité des goutelettes et stabilité/compatibilité chimique). (...) / Information processing within and in between living organisms involves the production and exchange of molecules through signaling pathways organized in chemical reactions networks. They are various by their shape, size, and by the nature of the molecules embroiled. Among them, gene regulatory networks were our inspiration to develop and implement a new framework for in-vitro molecular programming. Indeed, the expression of a gene is mostly controlled by transcription factors or regulatory proteins and/or nucleic acids that are themselves triggered by other genes. The whole assembly draws a web of cross-interacting genes and their subproducts, in which the well controlled topology relates to a precise function. With a closer look at the links between nodes in such architectures, we identify three key points in the inner operating system. First, the interactions either activate or inhibit the production of the later node, meaning that non trivial behaviors are obtained by a combination of nodes rather than a specific new interaction. Second, the chemical stability of DNA, together with the precise reactivity of enzymes ensures the longevity of the network. Finally, the dynamics are sustained by the constant anabolism/catabolism of the effectors, and the subsequent use of fuel/energy. All together, these observations led us to develop an original set of 3 elementary enzymatic reactions: the PEN-DNA toolbox. The architecture of the assembly, i.e. the connectivity between nodes relies on the sequence of synthetic DNA strands (called DNA templates), and 3 enzymes (a polymerase, a nickase and an exonuclease) are taking care of catalysis. The production and degradation of intermediates consume deoxyribonucleoside triphosphates (dNTP) and produce deoxynucleotide monophosphates leading to the dissipation of chemical potential. Reactions are monitored thanks to a backbone modification of a template with a fluorophore and the nucleobase quenching effect consecutive to an input strand binding the template. The activation mechanism is then the production of an output following the triggering of an input strand, and the inhibition comes from the production of an output strand that binds the activator-producing sequence. Various behaviors such as oscillation, bistability, or switchable memory have been implemented, requiring more and more complex topologies. For that, each circuit requires a fine tuning in the amount of chemical parameters, such as templates and enzymes. This underlies the fact that a given network may lead to different demeanors depending on the set of parameters. Mapping the output of each combination in the parameter space to find out the panel of behaviors leads to the bifurcation diagram of the system. In order to explore exhaustively the possibilities of one circuit with a reasonable experimental cost, we developped a microfluidic tool generating picoliter-sized water-in-oil droplets with different contents. We overcame the technical challenges in hardware (microfluidic design, droplet generation and long-term observation) and wetware (tracability of the droplet and emulsion compatibility/stability). So far, bifurcation diagrams were calculated from mathematical models based on the enzymes kinetics and the thermodynamic properties of each reaction. The model was then fitted with experimental data taken in distant points in the parameter space. Here, millions of droplets are created, and each one encloses a given amount of parameters, becoming one point in the diagram. The parameter coordinates are barcoded in the droplet, and the output fluorescence signal is recorded by time lapse microscopy. We first applied this technique to a well-known network, and obtained the first experimental two-dimensional bifurcation diagram of the bistable system. The diagram enlightens features that were not described by the previous mathematical model. (...)

Les peptides pénétrateurs de cellule (CPP) sont des oligopeptides cationiques faisant parti des vecteurs les plus étudiés dans le cadre du développement du transport ciblé de médicament à l’intérieur de l’organisme. Les applications principales sont par exemple le traitement des cancers ou la thérapie génique. Néanmoins, certaines caractéristiques des CPPs rendent leur utilisation médicale compliquée, tels que leur manque de spécificité à l’égard des cellules cibles ou la perte de leurs propriétés pénétrantes lorsqu’un cargo moléculaire leur est greffé. L’une des solutions envisagées pour résoudre ces problèmes est le greffage sur des polypeptides di-blocs auto-assemblés basés sur de l’élastine (ELPBC), des systèmes développés par l’équipe d’Ashutosh Chilkoti à l’Université de Duke (USA). Des travaux précédents ont montré que ces macromolécules, que l’on appelle CPP-ELPBC, retrouvaient les propriétés pénétrantes du CPP même en présence d’un cargo et permettaient également d’induire une spécificité à l’encontre des cellules cancéreuses. En revanche, le mécanisme de pénétration de ces systèmes restait inconnu.Dans cette thèse, je me suis concentré sur l’étude du mécanisme de pénétration des CPP et des CPP-ELPBC au travers de membranes lipidiques modèles, et en particulier sur l’adsorption de ces molécules à la surface de vésicules unilamellaires géantes (GUV). Le développement d’une nouvelle méthode de quantification de la fluorescence en microscopie confocale m’a permis de réaliser des mesures simples de comptage de peptides à la surface des vésicules, ce qui m’a permis par la suite de procéder à des mesures thermodynamiques de l’adsorption des peptides. / Cell-penetrating peptides (CPP) are cationic oligopeptides currently investigated as potential vectors for targeted drug delivery design, for applications in cancer treatment and/or gene therapy. Nevertheless, some drawbacks make the CPP complex for medical applications, such as their lack of specificity toward target cells or the loss of their penetrating properties once they have been grafted with a molecular cargo. One of the solutions studied to overcome these issues is the binding of the CPP unit on a self-assembling elastin-like diblock polypeptide (ELPBC), a macromolecular system designed by the team of Ashutosh Chilkoti from Duke University (USA). While it has already been proven that these molecules, named CPP-ELPBC, recover the penetrating properties of the CPP despite the presence of a cargo and also induce a selectivity toward tumorous cells, the exact mechanism of translocation is still under debate.In this PhD thesis, I focused on the investigation of the translocation mechanism of the CPP and CPP-ELPBC using model lipid membranes, and specifically the adsorption of these molecules at the surface of giant unilamellar vesicles (GUV). The development of a new quantification method of fluorescence in confocal microscopy allowed me to directly count the peptides adsorbed on the surface of the GUVs, which I used to perform thermodynamic measurements on the peptide adsorption.