Dans la nature, des moteurs moléculaires tells que l'ATP synthase ou la kinésine peuvent consommer de l'énergie pour générer du mouvement et ainsi assurer des fonctions essentielles comme le transport ou la synthèse de molécules. La préparation de moteurs artificiels capables de fournir un travail à différentes échelles est un défi important pour les chimistes. Dans ce travail, nous avons conçu et synthétisé de manière stéréosélective un moteur moléculaire unidirectionnel et hautement fonctionnalisé à l'échelle du gramme. La fonctionnalisation orthogonale du moteur permet de l'intégrer dans des matériaux polymères. Grâce à une réaction de "click" réalisée sous différentes conditions de dilution, nous avons pu obtenir soit une macromolécule bicyclique en forme de 8 soit un gel de polymers dont les moteurs constituent les points de réticulation. Sous irradiation UV, les moteurs tournent ce qui enroule les chaines de polymers. Pour le bicycle, la taille caractéristique de la macromolécule diminue tandis que la morphologie évolue vers une pelote étirée. Dans le cas du gel, suite à la rotation des moteurs, l'enroulement des chaines conduit à une contraction du gel de l'ordre de 80% en volume. C'est le premier exemple d'intégration de mouvements moléculaires hors équilibre résultant en une réponse observable à l'échelle macroscopique. Ce travail ouvre des perspectives intéressantes dans le domaine des nanotechnologies ainsi que dans celui de l'énergie. / Natural molecular motors such as ATP synthase, myosin, kinesin and dynein can convert conformationalchanges, due to chemical energy input, into directed motion for catalysis and transport. Preparing artificial molecular motors and making them work at different scales (from nano to macroscopic scale) have been long-term challenges. Herein we designed and synthesized a light driven rotary molecular motor in highly enantiopure form and in gram scale. This motor is featured by two orthogonal functionalities on its upper and lower part, allowing its further integration into polymeric materials. By performing click reaction under different concentration conditions, either an eight shaped motor-polymer conjugate or a gel containing motors as reticulation units could be obtained. Upon UV irradiation, the polymer chains could be entangled due to the rotation of this motor. For eight shaped polymer, the dimension was changed towards smaller dimension, and the morphology was changed from cycle to collapsed coils (spherical or more elongated). For the gel, due to the twisting of polymer chains induced by the rotation of the motor, it could be contracted significantly (80 %) compared with its original volume. The integration of machines which display motions out of equilibrium at nanoscale to movement in the macroscopic world which is extensively used in natural systems will open very interesting prospects in nanotechnology for further developments.

Myosin 10 is a vertebrate specific actin-based motor protein that is expressed in a variety of cell types. Cell biological evidences suggest that myosin 10 plays a role in cargo transport and filopodia extension. In order to fully appreciate these physiological processes, it is crucial to understand the motor property of myosin 10. However, little is known about its mechanoenzymatic characteristics. In vitro biochemical characterization of myosin 10 has been hindered by the low expression level of the protein in most tissues. In this study, we succeeded in obtaining sufficient amount of recombinant mammalian myosin 10 using the baculovirus expression system. The movement directionality of the heterologously expressed myosin 10 was determined to be plus end-directed by the in vitro motility assay with polarity-marked actin filament we developed. The result is consistent with the proposed physiological function of myosin 10 as a plus end-directed transporter inside filopodia. The duty ratio of myosin 10 was determined to be 0.6~0.7 by the enzyme kinetic analysis, suggesting that myosin 10 is a processive motor. Unexpectedly, we were unable to confirm the processive movement of dimeric myosin 10 along actin filaments in a single molecule study. The result does not support the proposed function of myosin 10 as a transporter. One possible explanation for this discrepancy is that the apparent nonprocessive nature of myosin 10 is important for generating sufficient force required for the intrafilopodial transport by working in concert with numbers of other myosin 10 molecules while not interfering with each other. Altogether, the present study provided qualitative and quantitative biochemical evidences for the better understanding of the motor property of myosin 10 and of the biological processes in which it is involved. Finally, a general molecular mechanism of myosin motors behind the movement directionality and the processivity is discussed based on our results together with the currently available experimental evidences. The validity of the widely accepted ‘leverarm hypothesis’ is reexamined.

In this work, a study of a recent approach in the design of light-driven molecular motors is presented. The approach involves enabling part of the motor to obtain aromatic-like properties through photoexcitation, and is found to significantly facilitate the rotary motion by reducing the barriers normally present in the excited-state potential energy surfaces of rotary motors.

Transportvorgänge in und von Zellen sind von herausragender Bedeutung für das Überleben des Organismus. Muskeln müssen sich kontrahieren können, Chromosomen während der Mitose an entgegengesetzte Enden der Zelle bewegt und Organellen, das sind von Membranen umschlossene Kompartimente, entlang molekularer Schienen transportiert werden. <br /> Molekulare Motoren sind Proteine, deren Hauptaufgabe es ist, andere Moleküle zu bewegen. Dazu wandeln sie die bei der ATP-Hydrolyse freiwerdende chemische Energie in mechanische Arbeit um. Die Motoren des Zellskeletts gehören zu den drei Superfamilien Myosin, Kinesin und Dynein. Ihre Schienen sind Filamente des Zellskeletts, Actin und die Microtubuli. <br /> In dieser Arbeit werden stochastische Modelle untersucht, welche dazu dienen, die Fortbewegung dieser linearen molekularen Motoren zu beschreiben. Die Skala, auf der wir die Bewegung betrachten, reicht von einzelnen Schritten eines Motorproteins bis in den Bereich der gerichteten Bewegung entlang eines Filaments. Ein Einzelschritt überbrückt je nach Protein etwa 10 nm und wird in ungefähr 10 ms zurückgelegt. Unsere Modelle umfassen M Zustände oder Konformationen, die der Motor annehmen kann, während er sich entlang einer eindimensionalen Schiene bewegt. An K Orten dieser Schiene sind Übergänge zwischen den Zuständen möglich. Die Geschwindigkeit des Proteins lässt sich in Abhängigkeit von den vertikalen Übergangsraten zwischen den einzelnen Zuständen analytisch bestimmen. Wir berechnen diese Geschwindigkeit für Systeme mit bis zu vier Zuständen und Orten und können weiterhin eine Reihe von Regeln ableiten, die uns einschätzen helfen, wie sich ein beliebiges vorgegebenes System verhalten wird. <br /> Darüber hinaus betrachten wir entkoppelte Subsysteme, also einen oder mehrere Zustände, die keine Verbindung zum übrigen System haben. Mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit kann ein Motor einen Zyklus von Konformationen durchlaufen, mit einer anderen Wahrscheinlichkeit einen davon unabhängigen anderen. <br /> Aktive Elemente werden in realen Transportvorgängen durch Motorproteine nicht auf die Übergänge zwischen den Zuständen beschränkt sein. In verzerrten Netzwerken oder ausgehend von der diskreten Mastergleichung des Systems können auch horizontale Raten spezifiziert werden und müssen weiterhin nicht mehr die Bedingungen der detaillierten Balance erfüllen. Damit ergeben sich eindeutige, komplette Pfade durch das jeweilige Netzwerk und Regeln für die Abhängigkeit des Gesamtstroms von allen Raten des Systems. Außerdem betrachten wir die zeitliche Entwicklung für vorgegebene Anfangsverteilungen. <br /> Bei Enzymreaktionen gibt es die Idee des Hauptpfades, dem diese bevorzugt folgen. Wir bestimmen optimale Pfade und den maximalen Fluss durch vorgegebene Netzwerke. <br /> Um darüber hinaus die Geschwindigkeit des Motors in Abhängigkeit von seinem Treibstoff ATP angeben zu können, betrachten wir mögliche Reaktionskinetiken, die den Zusammenhang zwischen den unbalancierten Übergangsraten und der ATP-Konzentration bestimmen. Je nach Typ der Reaktionskinetik und Anzahl unbalancierter Raten ergeben sich qualitativ unterschiedliche Verläufe der Geschwindigkeitskurven in Abhängigkeit von der ATP-Konzentration. <br /> Die molekularen Wechselwirkungspotentiale, die der Motor entlang seiner Schiene erfährt, sind unbekannt.Wir vergleichen unterschiedliche einfache Potentiale und die Auswirkungen auf die Transportkoeffizienten, die sich durch die Lokalisation der vertikalen Übergänge im Netzwerkmodell im Vergleich zu anderen Ansätzen ergeben. / Transport processes in and of cells are of major importance for the survival of the organism. Muscles have to be able to contract, chromosomes have to be moved to opposing ends of the cell during mitosis, and organelles, which are compartments enclosed by membranes, have to be transported along molecular tracks.<br /> Molecular motors are proteins whose main task is moving other molecules.For that purpose they transform the chemical energy released in the hydrolysis of ATP into mechanical work. The motors of the cytoskeleton belong to the three super families myosin, kinesin and dynein. Their tracks are filaments of the cytoskeleton, namely actin and the microtubuli. <br /> Here, we examine stochastic models which are used for describing the movements of these linear molecular motors. The scale of the movements comprises the regime of single steps of a motor protein up to the directed walk along a filament. A single step bridges around 10 nm, depending on the protein, and takes about 10 ms, if there is enough ATP available. Our models comprise M states or conformations the motor can attain during its movement along a one-dimensional track. At K locations along the track transitions between the states are possible. The velocity of the protein depending on the transition rates between the single states can be determined analytically. We calculate this velocity for systems of up to four states and locations and are able to derive a number of rules which are helpful in estimating the behaviour of an arbitrary given system.<br /> Beyond that we have a look at decoupled subsystems, i.e., one or a couple of states which have no connection to the remaining system. With a certain probability a motor undergoes a cycle of conformational changes, with another probability an independent other cycle. <br /> Active elements in real transport processes by molecular motors will not be limited to the transitions between the states. In distorted networks or starting from the discrete Master equation of the system, it is possible to specify horizontal rates, too, which furthermore no longer have to fulfill the conditions of detailed balance. Doing so, we obtain unique, complete paths through the respective network and rules for the dependence of the total current on all the rates of the system. Besides, we view the time evolutions for given initial distributions. <br /> In enzymatic reactions there is the idea of a main pathway these reactions follow preferably. We determine optimal paths and the maximal flow for given networks. <br /> In order to specify the dependence of the motor's velocity on its fuel ATP, we have a look at possible reaction kinetics determining the connection between unbalanced transitions rates and ATP-concentration. Depending on the type of reaction kinetics and the number of unbalanced rates, we obtain qualitatively different curves connecting the velocity to the ATP-concentration. <br /> The molecular interaction potentials the motor experiences on its way along its track are unknown. We compare different simple potentials and the effects the localization of the vertical rates in the network model has on the transport coefficients in comparison to other models.

Intraflagellar transport (IFT), the bi-directional movement of particles along the length of flagella, is required for flagellar assembly. The IFT particles are moved by kinesin II from the base to the tip of the flagellum, where flagellar assembly occurs. The IFT particles are then moved in the retrograde direction by cytoplasmic dynein 1b/2 to the base of the flagellum. The IFT particles of Chlamydomonas are composed of ~16 proteins, organized into complexes A and B. Alhough IFT is believed to transport cargoes into flagella, few cargoes have been identified and little is known about how the cargos are transported. To study the mechanism of IFT and how IFT is involved in flagellar assembly, this thesis focuses on two questions. 1) In addition to a heavy chain, DHC1b, and a light chain, LC8, what other proteins are responsible for the retrograde movement of IFT particles? 2) What is the specific function of an individual IFT-particle protein? To address these two questions, I screened for Chlamydomonas mutants either defective in retrograde IFT by immunofluorescence microscopy, or defective in IFT-particle proteins and D1bLIC, a dynein light intermediate chain possibly involved in retrograde IFT, by Southern blotting. I identified several mutants defective in retrograde IFT and one of them is defective in the D1bLIC gene. I also identified several mutants defective in several IFT-particle protein genes. I then focused on the mutant defective in D1bLIC and the one defective in IFT46, which was briefly reported as an IFT complex B protein. My results show that as a subunit of the retrograde IFT motor, D1bLIC is required for the stability of DHC1b and is involved in the attachment of IFT particles to the retrograde motor. The P-loop in D1bLIC is not necessary for the function of D1bLIC in retrograde IFT. My results also show that as a complex B protein, IFT46 is necessary for complex B stability and is required for the transport of outer dynein arms into flagella. IFT46 is phosphorylated in vivo and the phosphorylation is not critical for IFT46’s function in flagellar assembly.

Dans les cellules il existe deux grandes sources d’énergie : l’ATP et la force proton-motrice, produites au niveau du cytoplasme et de la membrane interne respectivement. La mise en place de processus actifs dans la membrane externe ou à la surface des bactéries à Gram négatif requière la présence de machineries protéiques transmettant les forces de leur lieu de production à leur lieu d’utilisation. Durant ma thèse j’ai étudié une de ces machines : la machinerie de motilité (Agl-Glt) de Myxococcus xanthus. Plus précisément, j’ai cherché à comprendre comment les composants de cette machine s’organisent pour permettre le déplacement d’une bactérie. J’ai montré que l’assemblage de la machinerie de motilité au pôle avant des cellules nécessite la formation d’une plateforme cytosolique sur laquelle vient se fixer la machine Agl-Glt. Sous l’action du moteur, le complexe interne de la machine se déplace en direction du pôle arrière en suivant une trajectoire hélicoïdale de main droite. Au niveau de la surface les protéines de membrane externe sont recrutées au niveau d’adhésions focales et permettent l’ancrage de la machinerie au substrat. Enfin, la transmission des forces de la membrane interne à la surface par la machinerie de motilité génère le déplacement des cellules selon une trajectoire hélicoïdale de main gauche. Finalement, cette étude a révélé l’existence d’une machine protéique de l’enveloppe dont l’activité repose sur l’association d’un moteur linéaire et du cytosquelette bactérien. De par l’homologie qu’il existe entre les systèmes il est possible de proposer que ce type de machines peut-être retrouvé associées à d’autres fonctions que la motilité cellulaire. / Two energy sources are present in cells: the ATP and the Proton Motive Force, produced in the cytoplasm and inner membrane respectively. Active processes in the outer membrane or on the surface of Gram negative bacteria require the presence of a proteic machinery to transduce the forces from their production site, in the cytoplasm or inner membrane, to their usage site. During my thesis I have studied one of these machineries: the motility machinery (Agl-Glt) of Myxococcus xanthus. More precisely, I try to understand how the components of this transmembrane machinery interact with each other to promote cell motility. I have shown that the assembly of the motility machinery at the leading pole requires the formation of a cytoplasmic platform onto which the Agl-Glt machinery is going to nucleate. The inner-membrane motor complex moves intracellularly along a right-handed path in the cell and becomes stationary at focal adhesion sites on the surface through the connection of the motor to the outer membrane proteins of the complex. This powers the left-handed helical motion of the bacteria. Finally, this study reveals the existence of a dynamic transmembrane machinery which associates the bacterial cytoskeleton to a linear motor to promote cell movement. The homology between the systems tells us that this type of motor is likely to be found associate with other function than cell motility.

Dans le domaine des nanomachines, des progrès considérables ont été réalisés. Il est désormais possible de synthétiser une machine moléculaire et de contrôler son mouvement grâce à une source d'énergie chimique, lumineuse ou électrique, de façon à ce qu'il soit unidirectionnel. Un nouveau défi a surgi : comment rendre ce mouvement utile ? Comment utiliser le travail d'une machine moléculaire au niveau nanoscopique, mésoscopique ou macroscopique ? Cette thèse s'inscrit à la suite de la démonstration du contrôle de la rotation d'un moteur moléculaire. Ce moteur est un complexe de ruthénium(II) dont la rotation de la partie mobile, le rotor, est contrôlée par la pointe d'un microscope à effet tunnel. Afin de déterminer le travail limite fournit par ce moteur, nous avons synthétisé un nanotreuil intégrant le moteur moléculaire déjà étudié dans l'équipe avec une chaîne latérale permettant d'accrocher par chimie clic différents types de fragments moléculaires. Ces fragments ayant des natures chimiques différentes (fullerènes, triptycènes, porphyrines), ils interagiront de manière plus ou moins importante avec la surface. De ce fait, la rotation du moteur pourra ou ne pourra pas entraîner leur déplacement sur la surface, ce qui nous permettra d'estimer le travail du moteur. Cette thèse décrit la synthèse des différentes sous-unités de ce nanotreuil : le moteur dissymétrique, la chaîne et les différentes charges. Après avoir développé différentes stratégies visant à intégrer la chaîne sur le rotor, la synthèse de chacun des fragments moléculaires fera l'objet des chapitres suivants. Enfin, un chapitre mettra en perspective l'intégration possible du moteur dans des systèmes d'engrenages en vue de la récupération du travail dans un réseau supramoléculaire. / In the field of molecular machines, considerable developments have been achieved. Nowadays, it is possible to synthesize a molecular machine with a directional control on its motion thanks to chemical, light or electrical energy source. A new challenge has arised: how make that movement useful ? How use the work of a molecular machine at a nano-, meso- or macro-level ? This thesis is in line with the demonstration and control of the molecular motor rotation. This motor consists in a ruthenium(II) complexe whom rotation of the movable part, i.e. the rotor, is controlled by the scanning tunnelling microscope tip. In order to estimate its motive power, we have synthesized a nanowinch incorporating the molecular motor synthesized in the team. This motor has been desymmetrized to be able to incorporate a chain allowing to connect by click chemistry several kind of molecular fragments. These fragments (fullerenes, triptycenes, porphyrines) will interact more or less with the surface of deposition. Therefore, the motor rotation will or will not make them move on the surface, giving us the possibility to estimate the motor torque. In this thesis, the synthesis of the different parts of the nanowinch is described : the dissymmetric molecular motor, the linker and the loads. After developping the synthetic strategies allowing us to incorporate the linker on the rotor, the synthesis of each fragment will be detailled in the following chapters. A concluding chapter will deal with the possible integration of that type of complexes into molecular gears in order to exploit the torque in a supramolecular network.

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Le mécanisme de la motilité de type gliding chez Myxococcus xanthus est longtemps resté incompris, du fait que ce type de déplacement ne requière aucune organelle extracellulaire. Nous avons démontré que le gliding est énergisée par un canal à protons, composé par les protéines AglRQS. Ce moteur coopère avec le cytosquelette d’actine bactérien pour transporter de manière directionnelle le complexe de l’enveloppe Glt à la surface de la cellule. Ce transport est traduit en motilité car les complexes Glt transportés interagissent avec un polysaccharide de surface qui agit comme une colle et immobilise les complexes Glt transportés contre le substrat.Nous avons également fait l’étonnante découverte que le moteur AglRQS est également essentiel à la sporulation, processus cellulaire durant lequel les cellules s’arrondissent et sont recouvertes d’un épais polysaccharide (le spore coat), qui leur confère une résistance face à des conditions défavorables. Nous avons démontré une interaction directe entre le moteur AglRQS et le complexe de l’enveloppe Nfs, un proche homologue du complexe Glt. Nous avons démontré que le moteur AglRQS transporte le complexe Nfs de manière directionnelle autour de la spore. Le spore coat étant sécrété en différents foci autour de la surface de la spore, son transport par la machinerie Agl-Nfs assure la formation d’une couche de « spore coat » compacte autour de la future spore.Ces résultats démontrent l’existence d’un moteur bactérien impliqué dans le transport directionnel de complexes protéiques associés à des sucres. Ces moteurs modulaires pourraient être adaptés à des fonctions spécifiques, en fonction du complexe avec lequel ils interagissent. / How gliding motility on solid surfaces is achieved in Myxococcus xanthus has long remained enigmatic, mostly because movement does not involve obvious extracellular organelles. Recently, we demonstrated that motility in M. xanthus is driven by a proton channel composed by the AglRQS proteins. This motor cooperates with the bacterial actin cytoskeleton to transport an envelope-spanning Glt motility complexes at the cell surface directionally. Motility is produced as a motility machinery surface tip-bound polysaccharide acts like a glue to immobilize the transported Glt complexes against the substratum.In the course of this study, we also made the surprising discovery that the AglRQS motor is essential not only for motility but also for sporulation, a cellular process during which the cells become surrounded by a thick polysaccharide (the spore coat) that confers resistance during unfavourable conditions. We demonstrated a direct interaction between the AglRQS motor and the Nfs envelope complex, a close homolog of the Glt complex. Transmission electron microscopy, time-lapse microscopy and localization studies, showed that the AglRQS motor rotates the Nfs complex directionally around the spore surface. Since the main spore coat polymer is secreted at discrete sites around the spore surface, its transport by the Agl-Nfs machinery ensures the formation of a compact spore coat layer around the future spore.These results highlight the existence of new class of bacterial motors involved in intracellular and directional transport of sugar-associated complex. These modular motors can be adapted to specific functions based which output complex they interact with.

La vie repose sur des conversions d’énergie libre assurées par des machines moléculaires. Parmi elles, la myosine couple l’hydrolyse de l’ATP à la production de force sur l’actine par basculement d’un « bras de levier ». Compléter le cycle requiert une étape de régénération, ou recovery stroke, où le moteur retourne dans sa configuration armée et hydrolyse l’ATP. Comprendre ce couplage chimio-mécanique est critique pour révéler les principes de fonctionnement des moteurs moléculaires. Cette thèse aborde la question via des simulations moléculaires. Partant d’une nouvelle structure cristallographique de la myosine VI, nous proposons un mécanisme original pour le recovery stroke dans lequel la remise en place du bras de levier est déclenchée par les fluctuations thermiques et précède la fermeture du site actif, au contraire des modèles précédemment acceptés. / Life relies on free energy conversions performed by molecular machines. Among them, myosin couples the hydrolysis of ATP to force production on actin through a swing of a « lever-arm ». Completing the cycle requires a regeneration step, the recovery stroke, in which the motor returns to its armed configuration and hydrolyzes ATP. Understanding this chemo-mechanical coupling is critical to unravel the functioning principles of molecular motors. In this thesis, we tackle the problem using molecular simulations. Capitalizing on a new crystal structure of myosin VI, we propose an original mechanism for the recovery stroke in which the re-priming of the lever arm is driven by thermal fluctuations and precedes the closure of the active site, unlike previously accepted models.