Par une approche supramoléculaire, des architectures radiales hétéro-poly-métalliques ont été réalisées pour des applications en photosynthèse artificielle et en magnétisme moléculaire. Dans une première partie, la synthèse et la caractérisation (spectroscopie UV-vis, émission, électrochimique, DRX) de complexes de ruthénium(II), possédant une gamme de ligands polypyridines, ont été réalisées. Les calculs théoriques ont été effectués afin de soutenir l’interprétation des propriétés photophysiques. Ces complexes, présentant un certain nombre de pyridines externes, ont servi de cœur à des architectures à base de rhénium tris-carbonyles (pour les effets d’antenne), et de cobaloximes (pour les propriétés catalytiques). Les nucléarités obtenues varient de 2 à 7 selon le cœur utilisé. Ces systèmes ont été engagés dans des cycles de photo-production de dihydrogène, démontrant une meilleure efficacité que la référence du domaine, le [Ru(bpy)3]2+. La seconde partie concerne l’étude de couples de métaux de transition, construits à partir de briques polycyanométallates, ou de lanthanides pontés par des ligands oxamides. Ces approches « complexes comme ligand » puis « assemblages comme ligand » permettent d’obtenir des systèmes de haute nucléarité, présentant des propriétés de molécule-aimant ou des effets magnéto-caloriques (à base de CrNi, GdCu, DyCu). Des propriétés photomagnétiques ont été observées sur les couples RuCu et MoCu, pouvant servir de commutateurs moléculaires dans des systèmes complexes. Enfin, une structure hétéro-tétra-métallique trifonctionnelle a été obtenue contenant à la fois un commutateur MoCu, une entité molécule-aimant CuTb et un complexe de ruthénium. / By a supramolecular strategy, radial hetero-poly-metallic architectures were obtained for applications in artificial photosynthesis and molecular magnetism. The first part is devoted to the synthesis, as well as the photophysical characterization (UV-vis absorption, emission, electrochemistry, X-ray diffraction) of ruthenium(II) complexes bearing a wide range of polypyridine ligands. Theoretical calculations were performed to support the interpretation of the photophysical properties. Through their pendant pyridine moieties, these complexes were used as core of architectures, bearing rhenium tris-carbonyl (for antenna effects), and cobaloximes (for catalytic properties) complexes. The nuclearities obtained vary from two to seven according to the core involved. These systems were engaged in photo-production of hydrogen, demonstrating more efficient systems than the reference in the field, the archetypal [Ru(bpy)3]2+. The second part concerns the study of transition metal couples, built on polycyanometallate cores, or oxamide-bridged lanthanide-based assemblies. These “complex as ligand” and “assemblies as ligand” approaches allow us to obtain high nuclearity systems on which we seek single molecule magnet (SMM) properties or good magnetocaloric effect (based on CrNi, GdCu, DyCu). Photo-magnetic properties have been studied on the RuCu and MoCu couples, which can serve as molecular switches in complex systems. Finally, a tri-functional hetero-tetra-metallic architecture was obtained containing a MoCu switch, a CuTb SMM entity, and a ruthenium complex.

L’application de nanotubes de carbone (CNTs) dans le domaine biomédical a été largement explorée grâce à leur propriétés physico-chimiques et à leur biocompatibilité. Par la fonctionnalisation extérieur et/ou intérieur des CNTs c’est possible de préparer des nouveaux conjugués avec différentes propriétés et applications. On a exploré la modification des nanotubes par voie covalente pour leur utilisation comme vecteurs de biomolécules pour achever la thérapie anticancéreuse. Pendant ma thèse, j’ai travaillé sur trois projets: l’application de différentes approches pour la conversion des groupes acides carboxyliques de MWCNTs oxydés en amines, dans le but de préparer des conjugués capables de complexer du siRNA (petits ARN interférents). Dans un second projet, j’ai développé des conjugués à base de nanotubes de carbone couplés avec un fragment d’anticorps thérapeutique via une liaison clivable afin d’en étudier le potentiel antitumoral. Dans le dernier projet, on a achevé la fonctionnalisation de CNTs remplis avec des molécules radioactivables par cycloaddition de nitrene et ensuite conjugué un anticorps de ciblage tumoral. Le but été d’utiliser les nanotubes comme vecteurs pour la délivrance de radioactivité à l'intérieur des cellules tumorales ciblées par l’anticorps. On a aussi conduit des investigations biologique, afin d’évaluer la toxicité et l’efficace de ce conjugué. / The application of carbon nanotubes (CNTs) in the biomedical field has been widely explored thanks to their physico-chemical properties and their biocompatibility. By the external and/or internal functionalization of CNTs it is possible to prepare novel conjugates tailoring different properties and applications. We have investigated the covalent derivatization of CNTs by different chemical strategies to achieve suitable carriers for anticancer therapy. In one project, we have explored the conversion of the carboxylic groups of oxidized CNTs into amino groups, and the ability of these conjugates to complex genetic material, for gene delivery. In another project, CNTs have been functionalized with linkers bearing a cleavable disulfide bond, and further conjugated to a therapeutic nanobody for controlled intracellular drug release. Finally, we have investigated the reactivity of close-ended CNTs filled with radioactivable material toward Bingel and nitrene cycloadditions and the conjugation of a targeting antibody, for the target delivery of radioactivity. By several characterization techniques we have proved that the antibody is covalently grafted to the CNT-carrier and it still possesses its targeting ability. Investigations on the biological profile of these conjugates (cytotoxicity, targeting, uptake, biodistribution) have been also carried out.

La nécessité de délivrer des médicaments directement dans les cellules est grandissante avec le développement des thérapies géniques. Les peptides pénétrants (Cell Penetrating Peptides : CPP) représentent une possibilité pour administrer ces médicaments dans les cellules sans effet délétère sur la membrane. Ce sont des peptides d’une dizaine d’acides aminés, généralement cationiques. Ils sont capables de traverser la membrane cellulaire, et conservent cette propriété lorsqu’une cargaison leur est attachée. Cependant, leurs mécanismes d’entrée ne sont toujours pas tous connus. Nous avons caractérisé quelques aspects des mécanismes permettant aux CPP de traverser directement la membrane plasmique à l’aide de trois techniques biophysiques. i) Nous avons ainsi pu mettre en évidence le rôle des sulfates d’héparane comme partenaire d’adhésion forte du CPP pénétratine, à l’aide d’un outil de mesure de force : le Biomembrane Force Probe. ii) Nous avons montré la possibilité pour la pénétratine de franchir la bicouche lipidique (sans mécanisme cellulaire actif) si celle-ci est suffisamment riche en lipides chargés négativement. Ce passage a été étudié sur bicouches modèles, formées à l’interface entre gouttelettes obtenues par émulsion inverse dans de l’huile en présence de lipides. iii) Pour visualiser la translocation de CPP à l’échelle de la molécule unique nous avons développé un montage original de microscopie à onde évanescente sur bicouche suspendue. / Gene therapy relies on an efficient and specific delivery of drugs into targeted cells. For this purpose, the use of carriers that will help the drugs to cross the membrane, without introducing deleterious effect due to the membrane disruption, are promising. A family of such carriers is known as Cell Penetrating Peptides (CPPs). These peptides are short, about ten amino acids, and often cationic. They are able to translocate through the membrane with different cargos and deliver them into the cytosol. However the mechanisms are still, to a great extent, unknown. We used three biophysical techniques to gain insights into the mechanisms leading to the translocation of a CPP. i) We found the heparan sulfates to be the strongest partner of the CPP penetratin at the cell surface. This adhesion has been pointed out using the Biomembrane Force Probe, a force measuring tool. ii) We evidenced the translocation of penetratin through the lipid bilayer (without any cell mechanism) as long as it contains enough negatively charged lipids. This has been carried out using model bilayers formed at the interface between droplets generated by an inverted emulsion: water in an oil and lipid mixture. iii) To view the translocation of CPPs at the single molecule level we developed a total internal reflection fluorescence microscope (TIRFM) on a suspended bilayer.

L’utilisation massive de ressources fossiles carbonées pour des applications énergétiques est aujourd’hui pointée du doigt comme responsable du changement climatique. Le CO₂ émis lors de la combustion de ces ressources augmente l’effet de serre, induisant ainsi un réchauffement de la planète. Afin d’atténuer ce changement climatique, l’utilisation des énergies renouvelables est de plus en plus favorisée et le stockage de cette énergie sous forme d’hydrogène semble prometteur pour pallier à l’intermittence saisonnière de ces ressources. Une voie de stockage de l’hydrogène consiste à le faire réagir avec du CO₂ afin d’obtenir des carburants liquides telles que l’acide formique et le méthanol. Ces liquides peuvent alors être transportés facilement et lorsque l’énergie vient à manquer l’hydrogène peut être régénéré par déshydrogénation de ces molécules grâce à des catalyseurs. Dans cette thèse nous avons développé des complexes organométalliques en vue d’activer CO₂ et H₂, ce qui nous a permis d’acquérir un savoir fondamental. Le ligand triphos étant très connu pour coordiner des complexes qui catalysent ces réactions d’hydrogénation et de déshydrogénation, nous nous sommes d’abord concentrés sur le développement de ligands similaires. Nous avons synthétisé de nouveaux complexes de Fe (II), Co (II) et Cu (I) avec ces ligands. Ceux-ci se sont révélés actifs en hydroboration du CO₂. Un complexe de ruthénium a été greffé sur silice par son ligand, afin de pouvoir être recyclé lors des catalyses. Dans une deuxième partie, nous avons synthétisé un nouveau ligand aux des propriétés participatives potentielles. Un complexe de cuivre(I) coordiné par ce ligand a permis d’activer H₂ grâce à une participation métal-ligand.Enfin, un complexe de cobalt(I) coordiné par ce ligand est le premier composé à base de cobalt capable de déshydrogéner l’acide formique. / The extensive use of fossile fuel is currently causing climate change. Anthropogenic emissions of CO₂ enhance the greenhouse effect, resulting in global warming. In order to mitigate this climate change, the share of renewable energy is increasing and hydrogen seems to be a good candidate to stock energy to compensate the seasonal variations of those energies. One way to store H₂ is the hydrogenation of CO₂ to synthesise liquid molecules as formic acid and methanol. Those liquids can be conveyed in an easier way. In case of a lack of energy, H₂ can be recovered through dehydrogenation of those molecules thinks to catalysts. In this thesis, we studied the synthesis of organometallic complexes able to activate those small molecules, thus, growing a fundamental knowledge. As a number of triphos-metal complexes are known to catalyse hydrogenation and dehydrogenation reactions, we focused on the elaboration of ligands alike. With those ligands in hand, several non-noble metal based complexes (Fe (II), Co (II) and Cu (I)) were synthesized, which are active in CO₂ hydroboration catalysis. A complex of ruthenium(II)was grafted on silica through one of this ligand, in order to recycle it when it used as a catalyst. On the second hand, we designed a new ligand which could favor metal-ligand cooperativity. H₂ was succesfully activated with a copper(I) complex coordinated by this ligand, demonstrating that cooperation of the ligand. Finally, the first known cobalt complex active in dehydrogenation of formic acid was synthesised.

La spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS) et la cathodoluminescence (CL) dans un microscope électronique en transmission à balayage (STEM) sont des techniques puissantes pour l’étude des nanostructures isolées. Cependant, des électrons rapides peuvent endommager fortement des échantillons minces et fragiles, ce qui limite la résolution spatiale et l’intensité des signaux spectroscopiques. Pendant cette thèse, nous avons dépassé cette restriction par le développement de protocoles d’acquisition spécifiques pour l’étude de certains archétypes de nanosystèmes fragiles. Dans la première partie de cette thèse, nous avons caractérisé des flocons minces de graphène oxydé (GO) et GO réduit (RGO) par EELS dans le STEM. Grâce aux spécificités techniques de notre microscope et à la définition des conditions d’illumination optimales, nous avons dérivé des cartes du contenu d’oxygène dans le (R)GO à une résolution spatiale inédite. Aussi, par l’analyse des pics EELS de structure fine, nous avons révisé les modèles atomiques proposés dans la littérature. Des molécules isolées constituent une autre classe de nanomatériaux fortement sensibles à l’irradiation et aussi à l’environnement chimique et physique. Nous avons conduit des expériences de CL sur des molécules individuelles, grâce à un choix avisé du substrat. Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un matériaux bidimensionnel chimiquement inerte, qui participe activement au processus de CL en absorbant l’énergie incidente. Le transfert de l’excitation aux molécules et l’utilisation d’une routine innovante d’acquisition par balayage aléatoire ont permis de réduire les effets d’illumination. Ensuite, l’intérêt porté aux propriétés optiques du h-BN ont inspiré l’étude de sa phase cubique (c-BN), qui a été peu caractérisé auparavant à cause d’impuretés dans les cristaux. Nous avons analysé des cristaux de c-BN de haute pureté par EELS, en identifiant une bande interdite d’énergie plus grande que précédemment rapportée et plus proche des calculs les plus récents. Dans des cristaux moins purs, nous avons identifié et analysé plusieurs émissions associées à des défauts, en termes d’énergie caractéristique, distribution spatiale et temps de vie, par CL et interférométrie en intensité de Hanbury-Brown et Twiss. / Electron energy loss spectroscopy (EELS) and cathodoluminescence(CL) in a scanning transmission electron microscope (STEM) are extremely powerful techniques for the study of individual nanostructures. Nevertheless, fast electrons damage extremely sensitive thin specimens, imposing strong limitations on the spatial resolution and the intensity of spectroscopic measurements. During this thesis we have overcome this restriction by developing material-specific acquisition protocols for the study of some archetypical fragile nanosystems. In the first part of this thesis we have characterized graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (RGO) thin flakes by EELS spectroscopy in the STEM. Thanks to the particular setup of our microscope and by experimentally defining the optimal illumination conditions, we have derived oxygen quantification maps of (R)GO at an unprecedented spatial resolution. On the basis also of EELS fine structures analysis, we have revised the existing proposed atomic models for these materials. Another class of exceedingly sensitive nanometric systems is represented by individual molecules, which are strongly affected by both illumination and chemical/physical environment. We have performed the first CL-STEM investigation on the luminescence of isolated molecules, thanks to a watchful choice of the substrate. Hexagonal boron nitride (h-BN) is a flat, chemically inert 2D material, that actively takes part in the CL process by absorbing the incident energy. Excitation transfer from h-BN to molecules and the use of an innovative random scan acquisition routine in the STEM have allowed to considerably lower illumination effects and improve CL intensity. Afterwards, the attractive optical properties of h-BN have led to the study of its cubic phase (c-BN), which has been up to now hindered by the poor quality of the crystals. By EELS in the STEM we have analysed c-BN crystals of the highest available purity, identifying a wider optical band-gap with respect to previous experimental studies and in better agreement with recent calculations. In commercial crystals, several defect-related emissions have been identified and analysed in terms of characteristic energy, spatial distribution and lifetime using CL and Hanbury-Brown and Twiss intensity interferometry.

Les polymères à empreintes moléculaires (MIP) sont des matériaux synthétiques capables de mimer les anticorps biologiques. En effet, ils possèdent deux des principales caractéristiques de ces derniers, à savoir : la capacité de reconnaître et de se lier spécifiquement à des molécules cibles. De plus, leur synthèse facile, leur bas coût de production, leur haute spécificité et stabilité par rapport aux anticorps naturels font des MIP une alternative intéressante. En effet, les propriétés de reconnaissance moléculaire des MIP permettent d'envisager leur utilisation dans une vaste gamme d’applications. Ils sont ainsi largement exploités dans les sciences séparatives pour l'analyse d'échantillons environnementaux ou agro-alimentaires, ou comme élément de reconnaissance dans des biocapteurs. Récemment, des applications de ces matériaux dans les domaines biologiques et biomédicaux ont émergé comme pour la détection, l'extraction et l"élimination de molécules indésirables dans l'organisme, la vectorisation ou l'administration contrôlée des médicaments. Dans nos recherches, nous avons développé des MIP dégradables par voie biochimique ou enzymatique, ayant une application potentielle en tant que système de libération contrôlé de molécules. En général, les MIPs sont synthétisés par polymérisation radicalaire libre en utilisant une formulation composée de monomères fonctionnels, d'agents de réticulation, et d'une molécule cible servant à réaliser l'empreinte moléculaire. Dans ce travail de thèse, nous avons utilisé pour la synthèse de MIP dégradable des agents de réticulation clivables contenant, soit une fonction chimique dégradable par voie chimique ou enzymatique (ponts disulfures et phosphatediester), soit un disaccharide issus d'agro-ressources et pouvant être naturellement hydrolysé par des enzymes. En présence d'un réactif spécifique (agent réducteur ou enzyme), les liaisons dites "sensibles" aux réactifs chimiques ou enzymatiques peuvent être clivées, ce qui entraîne une dégradation de la matrice polymérique. Le polymère perdra alors sa capacité de reconnaissance et de liaison à la molécule cible et permettra la libération de celle-ci. Nous pensons donc, que les nouveaux MIP dégradables pourraient avoir un énorme potentiel comme vecteurs "intelligents" dans des applications médicales tels que les systèmes de libération contrôlée de médicament. Finalement, nous avons étudié la dégradation par des microorganismes de la structure de base de ce type de polymères, en utilisant comme modèles des chaines linéaires et réticulées. / Molecularly imprinted polymers (MIPs) are biomimetic synthetic receptors that possess two of the most important features of biological antibodies – the ability to recognize and bind specific target molecules. Owing to their easier preparation, lower cost, higher specifity and stability compared to antibodies, they have the potential to be widely applied for environemental and food analysis. Recently, MIPs also emerged in the biochemical field as diagnostic tools, chemicals traps to remove undesirable substance from the body, or drug delivery systems, where usually the combination of biocompatibility and degradability after its use is desirable. Here, we developed biochemically or enzymatically degradable MIPs, which have potential applications as activation-modulated drug delivery systems. In general, MIPs are prepared by radical polymerization of functional monomers and cross-linkers in the presence of a target molecule acting as template. Degradable MIPs were synthesized using cleavable cross-linkers containing a degradable group (disulfide bond or phosphate ester bond) or derived from a natural disaccharide. In the presence of a cleaving reagent (reducing agent or enzyme), the chemo or enzyme-sensitive bond could be cleaved, resulting in the degradation of the polymer matrix. The degraded polymers looses the binding sites structure resulting in the loss of recognition and binding capacity towards the target molecules, and thus in the release of bound molecules. These degradable MIPs provide new opportunities as “smart” vectors for controlled delivery of active molecules in biomedical applications. Finally, the biodegradation of the polymer backbone by bacteria was investigated.

Cette thèse porte sur l’étude de la radio-sensibilité de Molécules AromatiquesHétérocycliques (MAH) à basse température exposées à une irradiation avec des ionslourds rapides. La présence de ces molécules dans les météorites carbonées sur Terre estune forte indication pour l’existence de cette catégorie de molécules dans l’espace.L’objectif de ce travail est de simuler l’effet des rayons cosmiques sur des MAH enphase solide et d’estimer leur résistance à l’irradiation. Les lignes de faisceaux deGANIL et de GSI permettent de simuler cet effet. L’évolution des MAH en phase solidea été monitorée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Cela permet dequantifier la destruction des MAH, de déterminer leur section efficace de destruction etde détecter les molécules produites. Les sections efficaces de destruction de l’adénine etde la cytosine suivent une loi puissance en fonction du pouvoir d’arrêt électronique :σd~ Se1.2. Les nouvelles bandes d’absorption observées après l’irradiation des MAH sontprincipalement attribuées à des nitriles (R-C≡N), des isonitriles (R-N≡C) et (R-C≡C).L’évolution de la section efficace en fonction du pouvoir d’arrêt électronique a permisd’estimer la durée de vie de l’adénine dans l’espace : (14×106) années. Ces résultatspermettront de comprendre la stabilité et la chimie de ces molécules complexes dansl’espace. / The thesis concerns the study of the radio sensitivity of aromatic heterocyclic molecules(AHMs) at low temperature (12 K) exposed to swift heavy ion radiation. The presenceof aromatic heterocyclic molecules in carbonaceous meteorites on Earth is a strongindication that this class of molecules exists in outer space.The aim of this work was to study the effects of cosmic ray analogues on solid AHMsand to estimate their survival under radiation. The beam lines of GANIL and GSI allowto simulate the effects of cosmic rays in AHMs. The evolution of the solid AHMs underirradiation was monitored by Fourier transformed infrared absorption spectroscopy; thisallows to quantify the disappearance of AHMs, to determine their apparent destructioncross section and to detect their radioproducts. Furthermore, it was found that adenineand cytosine destruction cross sections (σd) follow a power law with the electronicenergy loss: σd~ Se1.2 .New IR absorption peaks arising from the AHMs degradationswere observed; these peaks can be attributed to nitriles (R-C≡N), isonitriles (R-N≡C),and (R-C≡C).The observed power law allowed the estimation of the lifetime of adeninein space exposed to galactic cosmic rays as (14×106) years. These findings may help tounderstand the stability and chemistry related to complex organic molecules in space.

Le travail de cette thèse a été consacré au développement d’un nouvelle technique SELFI (pour self-interferences, auto-interférences en anglais). Cette méthode permet d’obtenir une localisation tridimensionnelle d’émetteurs fluorescents individuels. Nous avons démontré que cela permet l'imagerie super-résolue en 3D et le suivie 3D de molécules uniques en profondeur dans des échantillons biologiques denses et complexes. La technique SELFI se base sur l'utilisation des interférences auto-référencées (également appelées « auto-interférences ») pour remonter à la localisation 3D d’un émetteur en une seule mesure. Ces interférences sont générées via l’utilisation d'un réseau de diffraction placé en sortie du microscope de fluorescence : le signal de fluorescence diffracte sur le réseau et les ordres interfèrent, après une courte propagation, sur le détecteur. Les interférences ainsi formées sont décodées numériquement pour remonter à la localisation 3D d'une molécule fluorescente au sein de l'échantillon. Une molécule unique peut ainsi être localisée avec une précision d'une dizaine de nanomètre, et cela jusqu'à une profondeur d'au moins 50µm au sein d'un échantillon biologique vivant épais (par exemple un tissu biologique).En combinant la méthode SELFI à différentes techniques de super-résolution (PALM, dSTORM et uPAINT), nous montrons que cette méthode de localisation tridimensionnelle permet de retrouver la hiérarchie et l'organisation de protéines dans des objets biologiques. En effectuant du SELFI-PALM, nous avons pu observer différentes protéines des points focaux d’adhésion (talin-C terminale et paxiline) et retrouver les différences de hauteur attendues, et ceux sur des échantillons de cellules vivantes. Ces résultats confirment la résolution accessible avec la technique SELFI (environ 25nm) même pour un faible nombre de photons collectés (environ 500 photons par molécule).Nous mettons en évidence la robustesse de la technique SELFI en reconstruisant des images de super-résolution 3D de structures denses en profondeur dans des échantillons tissulaires complexes. En effectuant du SELFI-dSTORM, nous avons observé le réseau d’actine sur des cellules cultivées en surface de la lamelle dans un premier temps, et à différentes profondeurs (25 et 50 microns) au sein de tissus artificiels dans un second temps.Du suivi 3D de particule unique a aussi été effectué sein de tissus biologiques vivants. Nous avons observé la diffusion libre de quantum dots à différentes profondeurs (jusqu’à 50 microns, limité par l’objectif utilisé) dans des tranches vivantes de cerveau.Nous avons appliqué la technique SELFI à la détection de récepteurs postsynaptiques NMDA. Cela nous a permis d'observer, sur des échantillons de neurones en culture primaire mais aussi au sein de tranches de cerveaux de rats, une différence d'organisation entre les deux sous-unités GluN2A et GluN2B de ce récepteur au glutamate.Enfin, nous avons démontré l'importance de suivre l'évolution de l'environnement des échantillons biologiques vivants lors des acquisitions permettant la détection de molécules individuelles. Grâce à l'utilisation additionnelle et simultanée de l'imagerie de phase quantitative, nous avons pu étudier la dynamique de la membrane cellulaire durant l’activation par un facteur de croissance. L'analyse corrélative entre les images de phase quantitative en lumière blanche et les détections de molécules fluorescentes uniques permet d'obtenir de nouvelles informations pertinentes sur l'échantillon étudié. / The work of this thesis was devoted to the development of a new technique SELFI (for self-interferences). This method unlocks the three-dimensional localization of individual fluorescent emitters. We have demonstrated that this allows 3D super-resolved imaging and 3D tracking of single molecules deep into dense and complex biological samples. The SELFI technique is based on the use of self-referenced interference to go back to the 3D location of a emitter in a single measurement. These interferences are generated using a diffraction grating placed at the exit of the fluorescence microscope: the fluorescence signal diffracts on the grating and, after a short propagation, the orders interfere on the detector. The formed interferences are digitally decoded to extract the 3D location of a fluorescent molecule within the sample. A single molecule can thus be localized with a precision of approximatively ten nanometers up to a depth of at least 50 µm in a thick living biological sample (for example a biological tissue).By combining the SELFI method with different super-resolution techniques (PALM, dSTORM and uPAINT), we show that this three-dimensional localization method grants the access to the hierarchy and organization of proteins in biological objects. By performing SELFI-PALM, we observed different proteins of the adhesion focal points (talin C-terminal and paxilin) and found the expected elevation differences, and those within living cell samples. These results confirm the resolution capability of the SELFI technique (about 25 nm) even for a small number of photons collected (about 500photons per molecule).We highlight the robustness of the SELFI technique by reconstructing 3D super-resolution images of dense structures at depth in complex tissue samples. By performing SELFI-dSTORM, we observed the actin network in cells grown on the surface of the coverslip at first, and at different depths (25 and 50 microns) within artificial tissues in a second time.3D single particle tracking has also been performed in living biological tissues. We observed the free diffusion of quantum dots at different depths (up to 50 microns) in living brain slices.We applied the SELFI technique to the detection of NMDA postsynaptic receptors. We observed, in primary culture of neurons but also within slices of rat brains, a difference in organization between the two subunits GluN2A and GluN2B of this glutamate receptor.Finally, we show the importance of following the evolution of the living biological sample environment during the acquisition of images leading to detections of single molecules. Thanks to the additional and simultaneous use of quantitative phase imaging, we were able to study cell membrane dynamics during the activation by a growth factor. The correlative analysis between white light quantitative phase images and single fluorescent molecule detections provides new relevant information on the sample under study.

Le biofilm bactérien est une communauté de bactéries qui s’agrègent en un amas structuré recouvert d’une matrice polymérique et adhèrent sur une surface biotique ou abiotique. Ce mode de vie permet à ces bactéries de survivre dans un environnement hostile et cela entre autres grâce à une plus grande résistance aux antibiotiques que les bactéries sous forme libre ou planctonique. Les bactéries ayant la capacité de former des biofilms constituent donc un grave problème de santé tout aussi bien pour l’homme que pour l’animal comme par exemple dans le cas de la mammite bovine (MB). La MB est une inflammation de la glande mammaire de la vache induisant des dommages des tissus du pis et de ce fait, une réduction de la production de lait ainsi qu’une altération du bien-être de l’animal. Il est donc important de développer de nouvelles stratégies prophylactiques et thérapeutiques contre la MB. Des résultats préliminaires obtenus dans notre laboratoire avaient mis en évidence la capacité de certaines souches de staphylocoques à coagulase négative (SCN) produisant peu ou pas de biofilm à inhiber la formation de biofilm par d’autres bactéries responsables de MB. Notre hypothèse était donc que certaines souches faibles productrices de biofilm produisaient une ou plusieurs molécule(s) capable(s) d’inhiber de façon significative la formation de biofilm par d’autres SCN mais également par Staphylococcus aureus et possiblement d’autres agents pathogènes de la MB. Le but de ce projet fut donc de caractériser des molécules antibiofilm produites par des souches de SCN. Pour cela, 30 souches de staphylocoques (cinq espèces de SCN et S. aureus) fortes productrices de biofilm et 10 souches de SCN (Staphylococcus chromogenes et Staphylococcus simulans) faibles productrices de biofilm ont été utilisées. Nos résultats ont montré que certaines souches de SCN présentant un phénotype de faible production de biofilm réduisaient significativement la formation de biofilm chez plusieurs espèces de staphylocoques dont S. aureus. De plus, quatre souches de SCN (S. chromogenes C et E et S. simulans F et H) ont été capables d'inhiber de façon significative (p < 0,05) la formation de biofilm de 80% des souches testées. Cette activité antibiofilm a été également visualisée par microscopie confocale ainsi que dans des conditions dynamiques en utilisant un système de microfluidique. En parallèle, il a été démontré que les souches de SCN présentant un phénotype de faible production de biofilm n'inhibaient pas significativement la croissance des souches ayant un phénotype de forte production de biofilm. Par conséquent, l’activité antibiofilm observée ne semblait pas être due à une activité bactéricide. De plus, nos résultats ont montré que les surnageants de ces quatre souches présentaient également une activité antibiofilm et qu’ils possédaient un spectre d’activité étendu suggérant ainsi que les souches excrétaient une molécule antibiofilm dans son environnement extérieur. La caractérisation de ces surnageants a permis de mettre en évidence que l’activité inhibitrice était notamment conservée dans la fraction des surnageants < 3kDa et qu’une des molécules responsables de cette activité était hydrophile, thermorésistante et sensible à l’action de la RNase A. Enfin, nous avons pu observer que ces surnageants avaient la capacité de réduire voir même de prévenir la colonisation de la glande mammaire par une souche de S. aureus résistante à la méthicilline dans un modèle murin de mammite. Ces surnageants semblent être une alternative prometteuse dans le contrôle de la MB pour prévenir et/ou traiter cette infection que ce soit seul ou en association avec un traitement antibiotique. / Bacterial biofilms are structured communities of bacteria cells enclosed in a selfproduced polymeric matrix which is adherent to a biotic or abiotic surface. This lifestyle allows these bacteria to survive in hostile environments. For example, bacteria having the ability to form biofilms are significantly less susceptible to antibiotics than bacteria in planktonic form. Bacteria within biofilms pose a serious risk to human and animal health such as during bovine mastitis (BM). BM is an inflammation of the mammary gland of dairy cows which causes udder damages and reduces milk production. Therefore, it is important to develop new prophylactic and therapeutic strategies to control and treat BM. Preliminary results have demonstrated the ability of some coagulase-negative staphylococci (CNS) producing a weak biofilm to inhibit biofilm formation by other bacteria associated with BM. Our hypothesis is that some of CNS isolates having the ability to form a weak biofilm produce one or more molecule(s) able to significantly inhibit biofilm formation by other CNS, Staphylococcus aureus or other BM pathogens. The purpose of this project was to characterize antibiofilm molecules produced by CNS isolates. A total of 30 staphylococcal isolates (five species of CNS and S. aureus) with a strong biofilm phenotype and 10 CNS (Staphylococcus chromogenes and Staphylococcus simulans) isolates with a weak biofilm phenotype were used. Our results indicated that some CNS isolates with a weak biofilm phenotype significantly reduced biofilm formation of several staphylococcal species including S. aureus. Importantly, four isolates of CNS (S. chromogenes C and E and S. simulans F and H) were able to significantly inhibit biofilm formation (p < 0.05) of 80% of staphylococcal isolates tested. This activity was confirmed using confocal microscopy but also in dynamic conditions using a microfluidic system. Additionally, CNS with a weak biofilm phenotype did not significantly inhibit the growth of isolates with a strong biofilm phenotype. Therefore, the biofilm inhibition does not seem to be due to a bactericidal activity. The results also showed that the culture supernatants from these four bacteria still have an antibiofilm activity and own a broad spectrum of activity suggesting that the strains release an antibiofilm molecule into the external environment. The characterization of these supernatants indicated that the inhibitory activity was conserved in the < 3kDa fraction of the supernatants. Furthermore, one of the molecules responsible for the antibiofilm activity appears hydrophilic, heat-resistant and sensitive to the action of the RNase A. Finally, we observed that culture supernatants of these bacteria had the ability to reduce or even prevent colonization of the mammary gland by a strain of methicillin-resistant S. aureus in a murine model of mastitis. These supernatants appear to be a promising alternative alone or in combination with antibiotics in the control of BM.

La thèse se positionne dans le domaine des molécules ultra-froides, c’est-à-dire des molécules qui ont des vitesses correspondant à des températures de l’ordre du µK. L’obtention de gaz dilués moléculaires à ces températures peut ouvrir la porte à des applications importantes en simulation ou en informatique quantique. La thèse s’intéresse plus particulièrement à la formation de molécules dipolaires électriques et magnétiques. Celles-ci sont présagées pour être un système idéal dans l’optique d’un simulateur quantique du système réseau-spin, permettant de décrire le magnétisme dans les solides. Nous avons choisi l’exemple de la molécule RbSr qui fait l’objet actuellement d’une expérience à Amsterdam. Nous avons donc exploré plusieurs alternatives basées sur l’emploi de laser pour la formation de molécules RbSr ultra-froides Nous avons d’abord considéré la photoassociation dont le principe est de coupler l’état de collision initial avec un état rovibrationnel d’un état électronique excité. L’étape d’émission spontanée qui suit forme des molécules dans l’état électronique fondamental. Nous avons également considéré le problème des pertes supplémentaires d’atomes lorsque le laser de photoassociation est intense et focalisé, mises en évidence dans une expérience à Bangalore. Dans la suite de la thèse, nous avons exploré des méthodes cohérentes. Nous avons montré que des molécules faiblement liées de RbSr peuvent être formées à l’aide d’un STIRAP en partant de paires d’atomes isolées et confinées dans un isolant de Mott. Nous avons ensuite étudié leur stabilisation vers le niveau le plus profond de l’état fondamental de la molécule à l’aide d’un second STIRAP. Enfin, nous avons étudié des méthodes se déroulant uniquement dans l’état électronique fondamental. La formation est induite par l’utilisation d’une impulsion à dérive de fréquence induisant un passage adiabatique ou à l’aide d’une impulsion-pi. En plus, nous avons découvert que cette méthode formation peut être reliée à une résonance de Feshbach dans la représentation habillée par les photons, que nous avons appelée Résonance de Feshbach auto-induité assistée par Laser (LASIFR en anglais). Nous montrons qu’elles sont un outil prometteur et puissant pour le contrôle des propriétés de mélange de gaz d’atomes ultra-froids, comme par exemple la longueur de diffusion. / The thesis is positioned in the ultracold domain, i.e molecules which have velocities corresponding to microkelvin temperatures. The formation of molecular diluted gas at these temperatures is promising for important applications in quantum simulation, quantum information or in precision measurements.More particularly, the thesis is focused on the formation of molecules which are polar and paramagnetic. Some recent works are predicted that these molecules could be the ideal system for creating a quantum simulator of the lattice-spin system, which can describe the magnetism in solids. We have chosen the example of RbSr molecules for whose an experience runs in Amsterdam. We explored some alternatives based on the use of lasers for the formation of ultracold RbSr molecules.First, we considered the photoassociation whose the principle is coupling the initial scattering state with a rovibrational level of an excited electronic state. The following spontaneous emission step creates molecules in the electronic ground state. We also considered the problem of atom losses observed by experiments in Bangalore, when a focused photoassociation laser is applied. In the rest of the thesis, we explored coherent methods. Firstly, we showed a STIRAP sequence could create weakly bound molecules from isolated atomic pairs confined in a Mott insulator. Lastly, we explored some of these methods where the dynamic occurs only in the electronic ground state. The formation is induced by the use of a chirped pulse or a pi-pulse. We studied the factors of the transfer. Moreover, we discovered this method is related to a new kind of Feshbach resonances in the photon dressed picture, called Laser Assisted Self-Induced Feshbach Resonance (LASIFR). We showed LASIFR present the advantages of Magnetic and Optical Feshbach Resonances. They are a promising and powerful tool for the control of properties of quantum gas mixtures, like the interspecies scattering length.