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Molecular photoabsorption enhancement under ambient solar radiations can improve efficiency substantially in renewable energy production. Here, we explore the theoretical basis and experimental evidences that nanostructured molecular assemblies exhibit an unprecedented property of synergistic photon absorption enhancement. The molecular mechanism of this enhancement phenomenon originates from the combined effect of the photon-molecule interaction and the electronic energy transfer between two adjacent molecular assemblies. For a natural system, the synergistic photon absorption enhancement factor of green algae (Chlorella vulgaris) in vivo at 632.8 nm was determined to be 103. This enhanced photon absorption process in nanostructured molecular assemblies opens a doorway to create entangled double excitons by incoherent solar radiations.

Le graphène a des propriétés électroniques et mécaniques extraordinaires en raison de sa structure de bande linéaire. Toutefois, l'absence d’une bande interdite limite l’utilisation du graphène dans les dispositifs électroniques. Ajuster la bande interdite de graphène permettrait un contrôle précis des porteurs de charge. Une solution prometteuse consiste à modifier le graphène par des briques élémentaires de molécules organiques. Les molécules organiques avec un ion métallique (métal-porphyrine et métal-phtalocyanine) sont des candidats potentiels en raison de leur structure robuste et de leurs propriétés de charge et de spin qui peuvent être modulées. Dans cette thèse, le graphène a été préparé par la sublimation d’atomes de Si sur les faces de Si et de C- du substrat SiC. Trois molécules qui transportent l'information de spin différents ont été étudiés avec le STM. A travers des collaborateurs les calculs DFT, nous apporte des informations complémentaires. La première molécule utilisée dans notre expérience est la phtalocyanine de Ni (NiPc). L'ion Ni²⁺ a une configuration d'électrons 3d⁸ avec au état de spin de 0. La seconde molécule est la tétraphénylporphyrine de Pt (PtTPP (CO₂Me)₄). L'ion Pt²⁺ montre également une configuration d'électrons 3d8 à un état de spin de zéro. Cependant, l'atome Pt est plus lourd que celui du Ni. Promettant des effets spin orbite plus importants. La troisième molécule est tétraphénylporphyrine de fer (III) chlorure (FeTPPCl). Le Fe³⁺ est dans l'état haut spin (S = 5/2). Chacune de ces trois molécules forment un réseau moléculaire carré bien ordonné sur le graphène. Les directions de réseau moléculaires sont dominées par la symétrie du graphène, tandis que les orientations moléculaires dépendent des interactions inter moléculaires. Les couplages électroniques entre chaque molécule et le graphène sont transmis par la force de Van der Waals, qui donne lieu à des interfaces capacitifs entre la couche de graphène et les molécules. Les interactions électroniques entre les molécules FeTPP et graphène sont plus fortes que celles entre NiPc ou PtTPP et le graphène. Les études des molécules organiques avec adsorbées sur le graphène des spins différents a le potentiel d’ouvrir la voie à l'application de l'interface organométallique molécules/ graphène dans les dispositifs de spintronique. / Graphene has extraordinary properties because of its linear band structure and zero band gap. However, the lack of a band gap hinders the implementation of graphene in electronics; tuning the band gap of graphene would enable a precise control of the charge carriers. One of the promising solutions is to modify graphene with organic molecular building blocks. Organic molecules with a metal ion (metal- porphyrin, metal- phthalocyanine) are potential candidates, because of their robust structure and the fact that their charge and spin properties can be tuned. In this thesis, graphene was prepared by sublimating Si atoms from both Si and C- terminated SiC substrates. Three molecules which carry different spin information were studied by STM experiments. Through collaborations, DFT calculations were used to improve our understanding of the molecule- graphene interaction.The first molecule used in our experiment is Ni- phthalocyanine (NiPc). The Ni²⁺ ion has a 3d⁸ electron configuration, giving a spin- state of 0. The second molecule is Pt- tetraphenylporphyrin (PtTPP(CO₂Me)₄). The Pt²⁺ ion also shows a d8 electron configuration with a spin state of zero. However, the Pt atom is heavier than Ni, which should increase the spin- orbit effects. The third molecule is tetraphenylporphyrin iron(III) chloride (Fe(TPP)Cl). The Fe³⁺ in Fe(TPP)Cl is stable in the high spin state (S=5/2). These three molecules each form well- ordered nearly square lattice molecular networks on graphene. The molecular lattice directions are dominated by the graphene symmetry, while the molecular orientations depend on the molecule- molecule interactions. The electronic couplings between each of three molecules and graphene are via the Van der Waals forces, which gives rise to the capacitive molecular- layer/ graphene interfaces. The electronic interactions between FeTPP molecules and graphene are stronger than those between NiPc or PtTPP molecules and graphene. The studies of the organic molecules with different spin information on the graphene has the potential to pave the way for the application of organometallic molecules/graphene interface in spintronic devices.

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Les maladies ostéoarticulaires représentent environ 10% de l’ensemble des pathologiessurvenant en France chaque année. Les difficultés pour identifier les causes de ces maladiesproviennent pour une part d’un manque de compréhension du mécanisme de lubrificationd’une articulation synoviale saine. Dans ce contexte, un premier objectif de ce travail a été d’analyser la structurediscontinue du liquide synovial à partir de prélèvements animaux sains et de la reproduire àpartir de composants biomoléculaires commerciaux afin de comprendre le mécanisme delubrification dans le cas sain. Le deuxième objectif de cette thèse a été d’analyser l’évolution de la structure et despropriétés lubrifiantes du liquide synovial dans le stade précoce de pathologies noninflammatoiresou inflammatoires à partir de prélèvements pathologiques humains. Afind’étudier plus finement l’évolution de la lubrification pathologique cette thèse a visé àdévelopper aussi des modèles de lubrifiants obtenus à partir de cultures cellulaires desynoviocytes humains en combinant l’action de facteurs inflammatoire (cytokines).L’ensemble des résultats montre l’importance de la structure supramoléculaire duliquide synovial dans l’obtention de bonnes propriétés lubrifiantes ; cette relation devraitconstituer d’une part un paramètre clé dans le diagnostic précoce des pathologies articulaireset d’autre part une voie de développement de liquides thérapeutiques à base de lubrifiantsnanostructurés / Osteoarticular diseases account for approximately 10% of all diseases occurring inFrance each year. The difficulties in identifying their causes are also due to a deficiency inunderstanding the lubrication mechanism of healthy synovial joint.In this context, the first objective of the present study was to analyze the discontinuousstructure of synovial fluid samples from healthy animals and to reproduce it using commercialbiomolecular components in order to understand the lubrication mechanism in the healthycase. The second objective of this thesis was to analyze the evolution of the structure andthe lubricating properties of synovial fluid in the early stage of non-inflammatory andinflammatory diseases using pathological human fluid samples. In order to study moreprecisely the evolution of pathological lubrication this work aimed to develop lubricantmodels obtained from cell cultures of human synoviocytes adding the action of pathologicalinflammatory factors (cytokines). All together the results show the importance of the supramolecular structure of thesynovial fluid in obtaining good lubricating properties what may be a key parameter in theearly diagnosis of joint diseases and even more a chance to develop therapeutic fluids basedon nanostructured lubricants

Les aminopeptidases représentent un groupe d’enzymes qui possèdent une fonction cellulaire clef dans les mécanismes physiologiques et pathologiques. Elles interviennent dans la cascade enzymatique après l’action des endoprotéases, dans l’homéostasie au travers le renouvellement du pool d’acides aminés, dans le métabolisme énergétique, la régulation de l’activité des peptides bioactifs, la présentation antigénique ainsi dans une diversité de mécanismes pathologiques tels que les maladies neurologiques et les infections virales et parasitaires. Les aminopeptidases TETs sont capables de former des macro-assemblages tétraédriques comprenant douze sous-unités. En vue de mieux comprendre leur fonction biologique et leur mode d'action, nous avons étudié les propriétés fonctionnelles et structurales de deux nouveaux complexes TETs issus d'archées hyperthermophiles. L'archée hyperthermophile Methanocaldococcus jannaschii ne possède qu'une version de TET (MjTET) qui a été produite dans Escherichia coli et purifiée sous forme de dodécamère. La recherche de son activité enzymatique et de ses substrats peptidiques par des tests chromogéniques et fluorogéniques, ainsi que des études par HPLC en phase inverse, montre que cette enzyme est une leucine aminopeptidase activée par le cobalt se distinguant des autres aminopeptidases M42 par son très large spectre d'action qui s'étend aux résidus aromatiques. Une structure complète de cette aminopeptidase a été résolue en combinant la cristallographie (2.4 Å) et la cryo-EM (4,1 Å). L'analyse de la poche de spécificité de MjTET permet de mieux comprendre les bases structurales de la discrimination de substrat chez les TETs. De plus, l'analyse de la structure interne de la particule permet de proposer un nouveau mécanisme de navigation des peptides à l’intérieur des particules tétraédriques de la famille TET.L'archée hyperthermophile Pyrococcus horikoshii comporte trois types de complexes TETs. L'étude d'une protéine présentant ~20 % d'identité avec ces systèmes, nous a permis d'identifier une quatrième version du système TET dans cet organisme : PhTET4. La protéine recombinante a été purifiée. Elle forme un complexe dodécamérique tétraédrique. Les études biochimiques révèlent que l'enzyme possède une spécificité très étroite dirigée exclusivement vers l'hydrolyse des résidus glycines de l'extrémité N-terminale des peptides. De plus, elle estactivée par le nickel. Ces caractéristiques permettent de proposer que, chez les archées, la multiplication et la spécialisation des enzymes TETs seraient associées au caractère hétérotrophes alors que le système des archées autotrophes se réduirait à une TET unique apte à assurer une fonction de « ménage ». / Aminopeptidases represent a group of enzymes displaying key cellular function inphysiological and pathological mechanisms. They are involved in the enzymatic cascade beyond the action of endoproteases, in homeostasis through the renewal of the amino acid pool, in the energy metabolism, in the regulation of bioactive peptide activities, in the antigen presentation and in a diversity of pathological mechanisms such as neurological diseases as well as viral and parasitic infections. Aminopeptidases TET are able of forming tetrahedral macro-assemblies built by twelve subunits. In order to better understand their biological function and their mode of action, we studied the functional and structural properties of two novel TET complexes derived from hyperthermophilic archaea. The hyperthermophilic archaeon Methanocaldococcus jannaschii has only one version of TET (MjTET) that was produced in Escherichia coli and purified as dodecameric macromolecule. The search for its enzymatic activity and peptide substrates by using chromogenic/fluorogenic assays and reverse phase HPLC studies, demonstrated that this enzyme is a cobalt-activated leucine aminopeptidase, discriminated from other M42 aminopeptidases by its very broad activity spectrum, that extends to aromatic residues. Complete structure of this aminopeptidase was determined by combining X-ray crystallography (2.4 Å) and cryo-electron microscopy (4.1 Å). Analysis of MjTET specificity pocket indicated possible molecular bases for substrate discrimination in TET peptidases. In depth investigation of the particle internal structure allowed to propose a novel peptide trafficking mechanism for the TET family tetrahedral particles. Three types of TET complexes are present in the hyperthermophilic archaea, Pyrococcus horikoshii. The study of an unassigned protein displaying ~20% identity with the PhTETs systems allowed us to identify a fourth version of TET complex in this organism: PhTET4. The recombinant protein was purified. It formed tetrahedral dodecameric complex. Biochemical studies indicated that the enzyme has a very narrow hydrolytic specificity directed exclusively toward the peptide N-terminal glycine residues. In addition, this enzyme is activated by nickel ions. These features allowed proposing that, in archaea, the multiplicity of specialized TET systems could be associated with heterotrophy while unique TET system displaying “housekeeping” function is present in autotrophic organisms.