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.

Les fibres musculaires et les touffes ciliaires mécanosensibles de l'oreille interne des vertébrés sont deux systèmes complexes capables de développer une activité mécanique spontanément oscillatoire, dans des conditions où, au niveau moléculaire, des groupes de moteurs moléculaires opèrent au voisinage de leur force d'arrêt et sont soumis à une force de rappel élastique.<br />Nous avons construit un dispositif reproduisant in vitro une configuration semblable. Nous avons observé qu'une assemblée de myosines II musculaires, consommant de l'ATP en interagissant avec un filament d'actine, et soumise à une force de rappel élastique exercée par une pince optique, est un système minimal capable d'osciller spontanément. La relation force-vitesse du système présente un comportement non-monotone lié à l'activité des moteurs. Cette propriété fournit un mécanisme pour interpréter les oscillations spontanées, comme il l'a été suggéré par différentes études théoriques antérieures.<br />Par ailleurs, des expériences préliminaires à l'échelle de la molécule individuelle indiquent que la raideur de l'accrochage actine-myosine II pourrait dépendre de la tension imposée au filament d'actine. Cette propriété pourrait expliquer les écarts entre les raideurs mesurées in vitro et estimées à partir d'expériences sur les fibres musculaires.

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative héréditaire autosomique dominante. Elle résulte d'une expansion anormale de glutamines (polyQ) dans la partie N-terminale de la protéine huntingtine (HTT ; codé par HTT). La MH est caractérisée par la dysfonction et la mort de cellules neuronales dans le cerveau, entraînant l'apparition de symptômes cognitifs, psychiatriques et moteurs, dévastateurs chez les patients. De nombreuses études sur des modèles animaux et cellulaires montrent que l'expansion polyQ dans la protéine mutante conduit à un gain de nouvelles fonctions toxiques, ainsi qu'à la perte de fonctions neuroprotectives de la protéine sauvage. Pendant ma thèse, je me suis intéressée à la description et à la validation fonctionnelle d'un nouvel outil pour étudier la HTT : pARIS-htt. pARIS-htt est un gène synthétique construit pour faciliter le clonage et le marquage de la protéine HTT totale. En utilisant différentes approches cellulaires, nous avons montré que pARIS-htt peut remplacer le rôle de la HTT endogène dans le transport de vésicules du Golgi ainsi que du brain derived neurotrophic factor (BDNF). La version mutante de pARIS-htt ne peut pas restaurer cette fonction. Parallèlement, nous avons généré deux variants de pARIS-htt avec soit une délétion dans la région d'interaction de la HTT avec la dynéine, moteur moléculaire se dirigeant vers l'extrémité négative des microtubules, soit avec la huntingtin associated protein 1 (HAP1), l'un de ses interacteurs. Dans les expériences de remplacement du gène, aucun des deux mutants n'a restauré le transport vésiculaire.Un autre aspect de ma thèse a été d'étudier le rôle de la HTT au cours de la mitose. Nous avons mis en évidence l'importance de la HTT dans le contrôle de l'orientation du fuseau. Cette fonction est perdue lorque la HTT est mutée, mais restaurée lorsque celle-ci est phosphorylée par Akt à la sérine 421. Le contrôle de l'orientation du fuseau est particulièrement important durant la neurogénèse puisque cette orientation ainsi que le mode de division sont impliqués dans la détermination des devenirs cellulaires. Cette fonction de la HTT est conservée chez la D. melanogaster.Cette étude a donc permis de mieux comprendre les fonctions de la HTT, et de proposer de nouvelles cibles thérapeutiques pour traiter la MH.

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative héréditaire autosomique dominante. Elle résulte d’une expansion anormale de glutamines (polyQ) dans la partie N-terminale de la protéine huntingtine (HTT ; codé par HTT). La MH est caractérisée par la dysfonction et la mort de cellules neuronales dans le cerveau, entraînant l’apparition de symptômes cognitifs, psychiatriques et moteurs, dévastateurs chez les patients. De nombreuses études sur des modèles animaux et cellulaires montrent que l’expansion polyQ dans la protéine mutante conduit à un gain de nouvelles fonctions toxiques, ainsi qu’à la perte de fonctions neuroprotectives de la protéine sauvage. Pendant ma thèse, je me suis intéressée à la description et à la validation fonctionnelle d’un nouvel outil pour étudier la HTT : pARIS-htt. pARIS-htt est un gène synthétique construit pour faciliter le clonage et le marquage de la protéine HTT totale. En utilisant différentes approches cellulaires, nous avons montré que pARIS-htt peut remplacer le rôle de la HTT endogène dans le transport de vésicules du Golgi ainsi que du brain derived neurotrophic factor (BDNF). La version mutante de pARIS-htt ne peut pas restaurer cette fonction. Parallèlement, nous avons généré deux variants de pARIS-htt avec soit une délétion dans la région d’interaction de la HTT avec la dynéine, moteur moléculaire se dirigeant vers l'extrémité négative des microtubules, soit avec la huntingtin associated protein 1 (HAP1), l’un de ses interacteurs. Dans les expériences de remplacement du gène, aucun des deux mutants n’a restauré le transport vésiculaire.Un autre aspect de ma thèse a été d’étudier le rôle de la HTT au cours de la mitose. Nous avons mis en évidence l’importance de la HTT dans le contrôle de l’orientation du fuseau. Cette fonction est perdue lorque la HTT est mutée, mais restaurée lorsque celle-ci est phosphorylée par Akt à la sérine 421. Le contrôle de l’orientation du fuseau est particulièrement important durant la neurogénèse puisque cette orientation ainsi que le mode de division sont impliqués dans la détermination des devenirs cellulaires. Cette fonction de la HTT est conservée chez la D. melanogaster.Cette étude a donc permis de mieux comprendre les fonctions de la HTT, et de proposer de nouvelles cibles thérapeutiques pour traiter la MH. / Huntington disease (HD) is an autosomal-dominant neurodegenerative disorder caused by the pathogenic expansion of the poly-glutamine (polyQ) N-terminal stretch in the huntingtin protein (HTT; encoded by HTT). HD is characterized by the dysfunction and death of neurons in the brain, leading to devastating cognitive, psychiatric, and motor symptoms in patients. Studies in multiple cell and animal model systems support the notion that polyQ expansion in mutant HTT leads to the gain of new toxic functions and loss of the neuroprotective functions of the wild-type HTT. During my thesis, I focused on the description and functional validation of a new tool to study HTT: pARIS-htt. pARIS-htt is a synthetic gene built to facilitate cloning and tagging of full-length HTT. Using different cellular approaches, we showed that pARIS-htt can replace endogenous HTT in the transport of Golgi and brain derived neurotrophic factor (BDNF) containing vesicles. pARIS-htt mutant version could not restore vesicular transport when endogenous HTT was knocked-down. Moreover, we generated pARIS-htt deletion mutants for HTT interaction domain with dynein, a minus-end directed motor protein, and huntingtin associated protein 1 (HAP1), a HTT interactor. Both deletion mutants failed to restore vesicular transport in gene replacement assays. Another aspect of my thesis was the study of HTT during mitosis. We showed that HTT monitors spindle orientation though its interaction with diverse proteins involved in cell division. This function is lost when HTT is mutated and can be reverted by Akt phosphorylation at serine 421. The control of spindle orientation is particularly important during neurogenesis since spindle orientation and the mode of division of apical progenitors are implicated in the determination of cell fate. This function of HTT is conserved in D. melanogaster. This study contributes to the understanding of HTT functions and suggests new therapeutical approaches to treat HD.

Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié l'élasticité d'une molécule d'ADN simple brin à l'aide de pinces magnétiques. Les modèles de polymères idéaux ne rendent pas bien compte de l'élasticité de cette molécule, alors qu'ils décrivent très bien l'ADN double brin. Nous avons donc étudié expérimentalement l'élasticité d'une molécule simple brin dans différentes conditions salines, i.e. d'écrantage de charges, et dans des conditions modulant les interactions internes du polymère. En utilisant des conditions dénaturantes, nous avons pu séparer les effets des différentes interactions intramoléculaires et ainsi mieux caractériser leur importance respective pour décrire l'élasticité de la molécule. Il est ressorti de ces mesures qu'une description complète de l?ADN simple brin doit prendre en compte d'une part la formation de structures secondaires à basses forces, et d'autre part les effets de volume exclu: contrairement au double brin, le simple brin est tellement flexible que les répulsions électrostatiques dues aux groupements phosphates le long de la chaîne ne peuvent plus être négligées. Des simulations numériques prenant en compte ces deux effets sont en excellent accord avec nos observations expérimentales. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons étudié l'activité de deux hélicases à l'échelle de la molécule unique. Les hélicases sont des moteurs moléculaires qui catalysent la séparation des deux brins de la double hélice d?ADN, permettant ainsi l'accès aux bases individuelles formant le code génétique. Dans notre expérience, une unique molécule d'ADN double brin était immobilisée par pinces magnétiques et son extension mesurée avec une précision de 10 nm. Ceci nous a permis de suivre l'activité des hélicases, puisque celles-ci provoquent un changement de l'extension de la molécule lorsque le double brin est converti en simple brin. Cette méthode présente l'avantage de permettre l'observation en temps réel de l'activité d'une seule protéine. L'analyse statistique des données nous a permis d'accéder aux distributions complètes de vitesse et de processivité des enzymes. Nous avons ainsi caractérisé le comportement dynamique d?hélicases uniques (leur vitesse, leur processivité, leur coopérativité et leur pas élémentaire sur l'ADN). Le suivi en temps réel de l'activité des hélicases nous a permis d'observer une instabilité dans leur mode d'ouverture, et ainsi de rendre compte de mesures de vitesse obtenues en volume.

L’objectif repose sur l’élaboration de vecteurs d’ADN fonctionnalisés par des séquences peptidiques, DLC8-AS, ciblant les chaînes légères LC8 de la dynéine cytoplasmique, pour obtenir un transport actif jusqu’au noyau le long des microtubules (MTs). Des travaux précédents, menés sur des fluosphères fonctionnalisées par des DLC8-AS, ont montré une efficacité remarquable à condition de travailler avec de hauts taux de ligands. De tels niveaux de ligands ne sont pas transposables à des nanoparticules (NPs) d’ADN car ils affectent grandement leur stabilité colloïdale. Pour compenser cela, nous avons développé dans cette thèse, des NPs d’ADN faiblement fonctionnalisées (2-10 mol %) portant des dimères de DLC8-AS afin de bénéficier d'un effet dimérique vis-à-vis de la dynéine qui augmente l'affinité. Parmi les systèmes testés, 2 ont montré un gain lié à l’effet dimérique des DLC8-AS. Le 1er est basé sur un amphiphile cationique dimérisable de la cystéine, utilisé avec son homologue pegylé portant un motif DLC8-AS, pour produire, via l’oligomérisation des thiols, une population monodisperse de petites NPs d’ADN décorées (~60 nm). Les expériences menées sur cellules HeLa ont montré que les NPs décorées par les dimères de DLC8-AS avaient des efficacités de transfection améliorées (~250 fois) grâce à un mécanisme dépendant du système dynéine/MTs. Dans l’autre système, la surface de polyplexes de PEI a été décorée avec des amphiphiles octaarginine mono- ou bis-DLC8-AS. De façon remarquable, l’efficacité de transfection des polyplexes portant les ligands dimériques a été améliorée d’un facteur 50 par rapport au JetPEI standard. Ici encore, le mécanisme dépend des MTs. / The aim consists in engineering DNA carriers functionalized by peptide sequences, DLC8-AS, targeting the LC8 light chains of cytoplasmic dynein, to promote active transport towards the nucleus along the microtubules (MTs).Dépôt de thèseDonnées complémentairesPrevious works based on polystyrene fluospheres functionalized with DLC8-AS, showed a noteworthy transfection enhancement but as a cost of high levels of ligands. Such levels of functionalization are unsuitable for maintaining sufficient colloidal stability of DNA nanoparticles (NPs). In order to compensate for this, we developed in this thesis weakly functionalized DNA NPs (2-10 mol %) bearing dimers of DLC8-AS to benefit from a dimeric effect toward the dynein which increase the affinity. Among our designed systems, two revealed the benefit from taking advantage from the dimeric effect of DLC8-AS. The 1st one relies on a cationic and dimerizable cysteine based amphiphile, which was used with its dimerizable pegylated homologue containing DLC8-AS, to produce, through a thiol-disulfide oligomerisation process, a monodisperse population of small sized functionalized DNA NPs (~60 nm). Experiments carried out onto HeLa cells, showed that DNA NPs functionalized with DLC8-AS dimers exhibited enhanced transfection properties (~250 times) through a dynein/MTs dependant mechanism. The second consists in functionalizing the surface of PEI polyplexes with octaarginine amphiphiles carrying a mono- or bis-DLC8-AS. Remarkably, the transfection efficiency of polyplexes bearing the dimeric ligands was increased by a 50 times factor compared to the JetPEI golden standard. Here too, the mechanism strongly depends on MTs.

La plupart des processus dans notre vie quotidienne sont des processus hors équilibre. Un exemple de système hors équilibre est la cellule biologique et le transport qui a lieu dedans. Dans cette thèse ce transport intracellulaire est modélisé par des processus stochastiques. Pour cela deux approches différentes ont été utilisées : d’une part une modélisation explicite de particules actives avec des degrés de liberté internes obtenus expérimentalement, d’autre part une description phénoménologique des effets collectifs, qui est réalisée au moyen de processus d’exclusion.Un des résultats principaux pour le modèle explicite est qu’il est crucial de prendre en compte les fluctuations des forces pour reproduire les caractéristiques principales du mou- vement. Un autre élément important est la prise en considération de l’environnement cellu- laire, qui peut produire des effets non-triviaux, comme par exemple une inversion du sens de déplacement moyen. Pour étudier les effets collectifs il est possible de représenter le mou- vement des particules d’une manière simplifiée, en utilisant un processus d’exclusion avec des particules ayant des états internes. Le désordre sur les taux de saut qui en résulte peut provoquer une condensation dépendant de la densité.Un autre modèle étudié est un processus d’exclusion sur un réseau à deux voies. On suppose que deux types de particules se déplacent dans une géométrie tubulaire, inspirée par les champignons filamenteux. Ces hypothèses définissent un modèle minimal qui présente une transition de phase d’une phase de basse densité vers une phase pulsante caractérisée par des oscillations de densité. / Most processes in our daily life are far from equilibrium. The prime example is a cell and the transport occurring within. In this thesis intracellular transport is modeled by means of stochastic processes. For this, two different approaches are applied: the explicit mod- eling of active particles with internal degrees of freedom with characteristics as they were determined experimentally. And secondly, the collective effects occurring in many particle systems are studied in a phenomenological way by means of exclusion processes.In the explicit model one important result is given by the fact that force fluctuations are essential to capture the relevant motion characteristics. Further, the influence of the cellular environment creates counter-intuitive effects, like a possible inversion of the bias. The motion characteristics can be represented in a coarse-grained manner as an exclusion process for particles with internal states. Due to the resulting disorder in the hopping rates a density-dependent condensation occurs.In a second part, a two-lane exclusion model is studied. Two species in a tubular geometry inspired by filamentous fungi are considered.This can be seen as a minimal model exhibiting a phase transition from a low density phase to an intriguing phase with periodically changing particle densities.

Dans une première partie nous avons utilisé des techniques de<br />micromanipulations de molécules d'ADN uniques avec des pinces magnétiques<br />pour étudier la cinétique et thermodynamique de formation de boucles<br />sur l'ADN par le répresseur GalR. Nous avons également étudié les propriétés<br />de la translocase à ADN FtsK impliquée dans la ségrégation des chromosomes<br />chez E. coli. Dans une seconde partie nous avons mis en place différentes<br />expériences utilisant l'excitation biphotonique. Tout d'abord nous<br />avons construit un dispositif pour mesurer les sections efficaces d'absorption<br />à deux photons de molécules synthétisées au laboratoire.Nous avons ensuite<br />mis en place la technique de corrélation de fluctuations de fluorescence pour<br />mesurer des coefficients de diffusion et des constantes cinétiques.

Ce manuscrit décrit la synthèse d’un moteur moléculaire rotatif photoactivable. Il est montré que la molécule cible peut être intégrée dans un réseau de chaînes PEG, et que l’irradiation UV du matériau obtenu mène à sa contraction à macroscopique. Ces mouvements moléculaires collectifs permettent donc de convertir de l’énergie lumineuse pour produire un travail mécanique de huit ordres de grandeur au-delà de leur échelle. Une combinaison d’études de rhéologie et de diffusion de neutron a permis de définir les paramètres de formation de gels pour obtenir une contraction maximale, mais aussi l’observation expérimentale que la rotation des moteurs initie des enroulements de chaînes PEG, ce qui est responsable de la contraction du matériau. De plus, la synthèse d’une unité modulatrice et son intégration dans ces matériaux sont décrites. Les gels résultants présentent des propriétés de contraction réversibles et le caractère hors-équilibre de l’ensemble du système est ensuite discuté. / This manuscript describes the gram-scale synthesis of a light-driven rotary molecular motor. It is shown that the target molecule can be integrated into a PEG chains network, and that the UV irradiation of the obtained material leads to its macroscopic contraction. These collective molecular movements are then able to convert light energy to produce a mechanical work of eight orders of magnitude beyond their scale. A combination of rheology and small angle neutron scattering studies defined the of gel formation parameters to obtain maximum contraction, but also the experimental observation that motor rotation initiates PEG chain windings, which is responsible of the contraction of the material.In addition, the synthesis of a modulator unit and its integration into these materials is described. The resulting gels present reversible contraction properties and the out-of-equilibrium behavior of the entire system is then discussed.

La cellule est capable, en consommant l'énergie issue de l'hydrolyse de l'ATP, d'exercer des forces qui prennent leurs origines dans des réactions biochimiques. Un élément important de la cellule est le cytosquelette, composé principalement de microtubules et de filaments d'actine, il en constitue l'architecture et lui donne l'essentiel de ses propriétés mécaniques. Il est composé de polymères réticulés et, du point de vue de la rhéologie, a un comportement viscoélastique. Au sein du cytosquelette, des processus tels que la polymérisation de l'actine ou des microtubules permettent d'exercer des forces. Des protéines, de la famille des moteurs moléculaires, ont pour rôle spécifique de convertir l'énergie stockée sous forme chimique en énergie mécanique. L'activité mécanique hors-équilibre de la cellule est donc directement reliée à ces forces d'origine biochimique. Dans ce travail, nous avons étudié la distribution statistique des forces d'origine biochimique s'exerçant sur une bille de taille micrométrique attachée au cortex d'actine par l'intermédiaire de récepteurs de l'adhésion cellulaire : les intégrines. L'étude des forces d'origine biologique est inséparable de la connaissance des forces d'origine thermique car à cette échelle microscopique la contribution des forces thermiques n'est pas négligeable. Les forces s'exerçant sur la sonde ont deux origines possibles : biologique ou thermique. Notre approche expérimentale est basée sur la combinaison de deux techniques de microrhéologie, active et passive, ce qui nous permet de calculer la fonction d'autocorrélation temporelle des forces exercées sur une sonde accrochée à l'actine corticale et de la comparer à la fonction d'autocorrélation des forces thermiques estimée via le théorème de fluctuation-dissipation. La différence entre ces deux spectres nous donne une idée de la contribution des forces d'origine biologique au mouvement de la bille et une mesure de l'écart du système à l'équilibre thermodynamique. Afin d'étudier plus en détail ce système de bille subissant des forces de la part de l'actine corticale, nous avons étudié l'effet de la variation de la densité de ligand recouvrant la bille. La question qui nous a animés tout au long de ce travail est l'origine de ces forces biologiques ou plus exactement la nature du composant du cytosquelette qui exerce ces forces athermiques. Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence de la température sur ces forces biologiques. Nous avons ensuite étudié l'effet de la déplétion de l'ATP dans la cellule, de la dépolymérisation de l'actine et de l'inhibition des moteurs moléculaires de la famille des myosines.