L’ADN et l’ARN double brin (ADNdb, ARNdb) subissent des transitions de surétirement avec des forces d’environ 60 pN. Nous effectuons des mesures de force à l'aide d'un piège optique à double faisceau contenant deux billes reliées par une seule molécule. Un brin du duplex est attaché aux deux extrémités aux deux billes, tandis que l’autre brin n’est attaché qu’à une seule extrémité. Quatre cas différents sont comparés: ADNdb, ARNdb, hybride ARN- ADN avec ADN sous tension et hybride ADN- ARN avec ARN sous tension.Un surétirement se produit pour les quatre duplex. La différence la plus remarquable est que les ARNdb présentent un plateau lisse, alors que les autres duplex présentent des motifs en dents de scie. Nous constatons que les ARNdb s'étirent par un mécanisme différent et expliquons pourquoi cette propriété pourrait aider les structures d'ARN à s'assembler et à jouer leurs rôles biologiques.Un surétirement de l'hybride ARN-ADN libère progressivement un brin d'ARN. Les structures formées au sein de cet ARN naissant sont visibles dans le signal de force lors du re- recuit. Pour la première fois à notre connaissance, nous imitons donc et étudions le repliement de l'ARN co-transcriptionnel dans un test in vitro. En se concentrant sur le stade précoce de l’assemblage des grandes sous- unités ribosomales de E. coli (domaines I-II de l’ARNr 23S et des protéines r L4, L13, L20, L22, L24), on observe plus souvent un recuit partiel avec les protéines r. Nos résultats indiquent que les cinq protéines r de liaison précoce agissent comme des auxiliaires de repliement bien avant que l’ARN 23S complet ne soit transcrit. / Double-stranded DNA and RNA (dsDNA, dsRNA) undergo overstretching transitions at forces around 60 pN. We perform force measurements using a dual-beam optical trap that holds two beads linked by a single molecule. One strand of the duplex is attached at both extremities to the beads, while the other strand is attached only at one extremity. Four different cases are compared: dsDNA, dsRNA, RNA-DNA hybrid with DNA under tension, and DNA-RNA hybrid with RNA under tension. Overstretching occurs for all four duplexes. The most remarkable difference is that dsRNA exhibits a smooth plateau, while the other duplexes show saw-tooth patterns. We find that dsRNA overstretches by a different mechanism and explain why this property could help RNA structures to assemble and play their biological roles.Overstretching the RNA-DNA hybrid progressively liberates an RNA strand. Structures formed within this nascent RNA are seen in the force signal upon re-annealing. For the first time to our knowledge, we thus mimic and study co-transcriptional RNA folding in an in-vitro assay. Focusing on the early stage of E.coli large ribosomal subunit assembly (domains I-II of 23S rRNA and r-proteins L4, L13, L20, L22, L24), partial re-annealing is observed more frequently with r-proteins than without. Our results indicate that the five early- binding r-proteins act as folding helpers well before the entire 23S RNA is transcribed.

L'adhésion cellulaire est un processus biologique fondamental contrôlé par des liaisons moléculaires spécifiques entre ligands et récepteurs attachés à des surfaces. La formation et la rupture de ces liens dépendent de facteurs cinétiques, mécaniques et structurels. Le but de ce travail était d'observer comment l'interaction ICAM-1 (Inter- Cellular Adhesion Molecule 1) - anti ICAM-1 pouvait être modifiée en jouant i) sur la multivalence de molécules impliquées dans la liaison ii) sur la topographie de surface et iii) sur la mobilité des ligands. A cette fin, on a principalement utilisé une chambre à flux laminaire, complété par une détection de molécule unique par fluorescence. L'étude sur les effets de multivalence, utilisant des monomères et dimères d'ICAM-1, a été réalisée en absence ou en présence d'une force mécanique, montrant la plus grande stabilité des liaisons divalentes. En outre, un renforcement avec la force et le temps a été trouvé et décrit avec une fonction à deux paramètres, montrant, pour les liaisons divalentes, un comportement intermédiaire entre rupture parallèles et successives des liaisons monovalentes. La fréquence d'adhésion des liaisons monovalentes et divalentes présente différentes valeurs causées par la différence de longueur de ces molécules. Les expériences d'adhésion ont été effectuées en variant la topographie du substrat à l'échelle nanométrique pour les molécules étudiées. Une comparaison des cinétiques de liaisons sur ces surfaces ne montrent pas de différences soit dans la formation ou dans la rupture. Dans l'écoulement, le temps de contact entre les molécules est contrôlé par la convection de microsphères. Des résultats récents montrent qu'un temps minimum est requis pour former la liaison (Robert et al. 2011). Pour tester cette prédiction, les ligands sont ancrés à une bicouche lipidique (SLB) pour étudier comment la diffusion peut modifier l'adhésion. Expérimentalement, les fréquences d'adhésion des liaisons ont montré un comportement similaire pour les SLB fixes et fluides. Toutefois, une simulation numérique 2D prédit un effet sur la formation de la liaison, même lorsque la diffusion des ligands est faible. Il semblerait que la diffusion joue un rôle dans la dissociation de la liaison, limitant fortement la dissociation de la bicouche fluide. Cet effet peut être expliqué par la présence éventuelle de liaisons multiples dues à l'accumulation des ligands sur la surface de contact. La chambre à flux laminaire et le suivi de particule individuelle a permis de mieux comprendre les mécanismes d'adhésion et le comportement de l'interaction des molécules d'ICAM-1 au niveau de molécule individuelle, lorsque l'environnement moléculaire a été modifiée. Des travaux similaires peuvent être effectuées sur d'autres molécules d'adhésion afin d'atteindre une connaissance beaucoup plus large des mécanismes d'adhésion, ou sur les liaisons entre TCR et pMHC qui sont extrêmement importantes dans la réponse immunitaire.

Ce mémoire rassemble les résultats des travaux de recherche que j'ai menés au cours des dix dernières années au laboratoire Kastler Brossel au sein de l'équipe ``Optique et Biologie''. Nos travaux s'articulent autour de la détection optique de molécules individuelles, notamment pour la biologie. Nous utilisons dans ce but des sondes fluorescentes aux propriétés optiques remarquables : les nanocristaux semi-conducteurs. Je me suis concentré sur la visualisation par microscopie de fluorescence des interactions ADN-protéines à l'échelle de la molécule unique. Notre approche consiste à étendre et à accrocher des molécules d'ADN à une surface en s'inspirant des techniques de peignage moléculaire. Notre but est de visualiser directement le mouvement le long de la molécule d'ADN d'une protéine marquée à l'aide de nanocristaux ou de colorants organiques. La proximité entre la surface et l'ADN nous permet de visualiser ce mouvement par microscopie en onde évanescente. Nous nous sommes concentrés sur l'enzyme de restriction EcoRV, et en particulier sur la ``diffusion facilitée'' de cette enzyme sur l'ADN étiré du bactériophage T7. Nous sommes parvenus à observer la diffusion d'EcoRV, marquée avec des nanocristaux, le long de l'ADN étiré. Nous avons montré que le glissement des protéines le long de la chaîne d'ADN est le mécanisme le plus probable qui sous-tend la diffusion facilitée d'EcoRV. Nous avons observé des sauts de l'enzyme le long de l'ADN sur des distances importantes. L'analyse de la distribution de ces sauts nous a permis de proposer une vision synthétique de la diffusion facilitée.

L'adhésion cellulaire est un processus biologique fondamental contrôlé par des liaisons moléculaires spécifiques entre ligands et récepteurs attachés à des surfaces. La formation et la rupture de ces liens dépendent de facteurs cinétiques, mécaniques et structurelles. Le but de ce travail était d'observer comment l'interaction ICAM-1 - anti ICAM-1 pouvait être modifié en jouant i) sur la multivalence de molécules impliquées dans la liaison ii) sur la topographie de surface et iii) sur la mobilité des ligands. A cette fin, on a principalement utilisé une chambre à flux laminaire, complété par une détection de molécule unique par fluorescence.L'étude sur les effets de multivalence, utilisant des monomères et dimères d'ICAM-1, a été réalisée en absence et en présence d'une force mécanique, montrant la plus grande stabilité des liaisons divalentes. En outre, un renforcement avec la force et le temps a été trouvé et décrit avec une fonction à deux paramètres, montrant, pour les liaisons divalentes, un comportement intermédiaire entre rupture parallèles et successives des liaisons. La fréquence d'adhésion des liaisons monovalentes et bivalentes présente différentes valeurs causées par la différence de longueur de ces molécules.Les expériences d'adhésions ont été effectuées en variant la topographie du substrat pour les molécules étudiées. Une comparaison des cinétiques de liaisons sur ces surfaces ne montrent pas de différences soit dans la formation ou dans la rupture. Pour interpréter ces résultats, un modèle qui prend en compte la zone de contact réel devrait être construit à partir des images AFM des échantillons.Dans l'écoulement, le temps de contact entre les molécules est contrôlé par la convection de microsphères. Des résultats récents montrent qu'un minimum de temps est requis pour former la liaison (Robert et al. 2011). Pour tester cette prédiction, les ligands sont ancrés à une bicouche lipidique (SLB) pour étudier comment la diffusion peut modifier l'adhésion. Expérimentalement, les fréquences d'adhésion des liaisons ont montré un comportement similaire pour les SLB fixes et fluides. Toutefois, la simulation numérique prédit un effet sur la formation de la liaison, même lorsque la diffusion des ligands est faible. Il semblerait que la diffusion joue un rôle dans la dissociation de la liaison, réduisant fortement la valeur de koff pour une bicouche fluide. Cet effet peut être expliqué par la présence éventuelle de liaisons multiples dues à l'accumulation des ligands sur la surface de contact. / Cell adhesion is a fundamental biological process mediated by specific molecular bonds formed by ligands and receptors attached to surfaces. Formation and rupture of these bonds depend on kinetic, mechanical and structural factors. The goal of this work was to observe how the ICAM-1 – anti ICAM-1 interaction can be modified by playing i) on the multivalency of molecules involved in the bond ii) on the topography of surface and iii) on the mobility of ligands. The main technique used for this purpose was the laminar flow chamber, completed by single-particle tracking in fluorescence.The study on multivalency effects, using monomeric and dimeric ICAM-1, was performed in absence and presence of mechanical force, showing the higher stability of divalent bonds. Also, a force- and time- strengthening dependence was found and described with a two-parameter function, showing, for divalent bonds, an intermediate behaviour between parallel and subsequent rupture of bonds. The adhesion frequency of monovalent and divalent bonds exhibit different values accounted by difference in length of these molecules.Adhesion experiments were performed varying the topography of the substrate for the investigated molecules. A comparison of bond kinetics on these surfaces did not show differences either in attachment or in rupture. To interpret these results, a model which takes into account the real contact area should be built from the AFM images of the samples.In the flow, the contact time between molecules is controlled by convection of microspheres. Recent results show that there is a minimal time required to form the bond (Robert et al. 2011). To test this prediction, ligands were anchored to supported lipid bilayer (SLB) to investigate how the diffusion can modify the adhesion. Experimentally, the adhesion frequencies of the bonds showed similar behaviour for fixed and fluid SLB. While, numerical simulation predicted an effect on bond formation even at low ligand diffusion. The diffusion seemed to play a role in bond dissociation, strongly reducing the value of koff for fluid bilayer. This effect can be explained by the possible presence of multiple bonds due to ligand accumulation on the contact area.