Ce mémoire rapporte les études de protéines amyloïdes en interaction avec des membranes modèle afin d’établir une relation structure toxicité. Nous avons choisi différents modèles membranaires (monocouches, bicouches) de composition lipidique et charges différentes et utilisé différentes méthodes physico-chimiques afin de caractériser les interactions des protéines amyloïdes avec les membranes.Nous avons montré l’importance de la contribution électrostatique dans les interactions de la protéine amyloïde HET-s (218-289) et ses mutants avec les membranes modèles.L’ellipsométrie a démontré que les mutants toxiques de HET-s (218-289) (M8, WT.Y1Y2V2) perturbentfortement les monocouches lipidiques à l’interface air-eau. La structure riche en feuillets β antiparallèles des protéines àl’interface air-eau et dans l’interaction avec les monocouches de lipides a été démontrée par la spectroscopie PMIRRAS (Polarization Modulation – Infrared Reflection Absorption Spectroscopy). Nous avons établie que l’interface air-eau peut modifier l’agrégation des protéines amyloïdes. A l’aide de la spectroscopie de fluorescence, la spectroscopie PWR (Plasmon-Waveguided Resonance) et la spectroscopie ATR-FTIR (Attenuated Total Reflection – Fourier Transform Infrared), nous avons mis en évidence que la protéine toxique M8 adopte une structure riche en feuillets β antiparallèles en altérant fortement l’intégrité des bicouches lipidiques. Au contraire, la protéine non toxique WT se structure en feuillets β parallèles dans ces interactions et elle ne perturbe pas l’homogénéité des membranes. La toxicité de la protéine M8 semble liée à son organisation différente et à sa capacité à réorganiser les membranes.Nos résultats confortent également l’hypothèse de la toxicité des oligomères amyloïdes.Une étude sur la fabrication d’une cellule microfluidique pour la séparation de différents types d’autoassemblage afin de les détecter et de les étudier en interaction avec des liposomes par spectroscopie infrarouge est présentée. Une cellule microfluidique de CaF2 de 8 μm d’épaisseur de canaux est obtenue et est utilisée pour la détection d’une protéine de test. / This manuscript reports the studies of amyloid proteins in interaction with membrane models in order to establish their structure-toxicity relationship.Membrane models (monolayer, bilayer) of different charge and lipid composition were used. We used various physico chemical methods to characterize the interaction of these amyloid proteins with membranes.We showed the importance of the electrostatic contribution in the interactions of the amyloid protein HET-s(218-289) and its mutants with model membranes.Ellipsometry showed that the toxic mutants of HET-s (218-289) (M8, WT.Y1Y2V2) strongly disturbed thelipid monolayers at the air-water interface. The structure rich in antiparallel β sheets of auto-assembled proteins at theair-water interface and in interaction with lipid monolayers at the air-water interface has been demonstrated by the PMIRRAS spectroscopy (Polarization Modulation - Infrared Reflection Absorption Spectroscopy). We established that theair-water interface can change the aggregation properties of amyloid proteins.By using fluorescence spectroscopy, PWR spectroscopy (Plasmon Resonance-Waveguided spectroscopy) and ATR-FTIR spectroscopy (Attenuated Total Reflection - Fourier Transform Infrared spectroscopy), we found that thetoxic protein (M8) adopted a structure rich in antiparallel β sheets greatly altered the integrity of lipid bilayers. Incontrast, the protein non-toxic (WT) organized in a structure rich in parallel β sheets in these interactions and it did notdisturb the homogeneity of the membranes. The toxicity of the protein M8 appears to be related to its differentorganization and its ability to rearrange membranes.Our results also support the hypothesis of the toxicity of amyloid oligomers.A study on the fabrication of a microfluidic cell for the separation of different aggregation states of amyloidproteins in order to detect these assemblies and to study their interaction with liposomes by infrared spectroscopy is presented. A CaF2 microfluidic cell with channels of 8 μm of thickness was obtained and was used for the detection of atested protein.

Les cryptophanes sont des molécules sphériques pouvant encapsuler dans leur cavité lipophile des molécules neutres (halogénométhanes, xénon) mais aussi des espèces ioniques comme les cations césium et thallium. Notre objectif a été d’immobiliser ces cages moléculaires de manière covalente sur un support solide dans le but de créer un matériau capable d’extraire des cations toxiques comme le thallium en milieu aqueux. Différentes stratégies ont été envisagées pour optimiser l’immobilisation de dérivés du cryptophane-A sur des surfaces de silice et d’or (surfaces planes et nanoparticules magnétiques de type coeur-écorce). Les cryptophanes-A mono-acide (1) et hexa-acide(2) ont été immobilisés sur des surfaces de silice préalablement fonctionnalisées par des groupements amines. Le cryptophane-A alcanethiol (3), ainsi que les cryptophanes 1 et 2 modifiés par lacystéamine (respectivement 4 et 5) ont été immobilisés sur des surfaces d’or. La caractérisation des surfaces planes par spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption par modulation de polarisation(PM-IRRAS) a permis d’estimer le taux de recouvrement des différentes monocouches de cryptophanes et, ainsi, d’évaluer la méthode d’immobilisation la plus efficace. Un taux de recouvrement proche de 100% a été obtenu pour le cryptophanes 3 immobilisé sur les surfaces d’or.Ce composé a également été immobilisé de façon très efficace sur des nanoparticules magnétiques(γ-Fe2O3/SiO2) enrobées d’une nano-écorce d’or. Ces résultats permettent d’envisager la synthèse d’un cryptophane portant cinq fonctions hydroxyles et une fonction thiol afin de créer des matériaux capables d’extraire des cations toxiques. / Cryptophanes are spherical molecules that can encapsulate neutral molecules(halogenomethanes, xenon), and ionic species like cesium and thallium cations in their lipophiliccavity. Our objective was to covalently immobilize these molecular cages onto solid substrates tocreate a material able to extract toxic cations such as thallium in aqueous media. Different strategieswere considered to optimize the immobilization of cryptophane-A derivatives onto silica and goldsurfaces (flat surfaces and core-shell magnetic nanoparticles). Mono-acid cryptophane-A (1) andhexa-acid cryptophane-A (2) were immobilized onto silica surfaces that were functionalized by aminogroups beforehand. Alcanethiols cryptophane-A (3), 1 and 2 modified by cysteamine (cryptophanes 4and 5 ,respectively) were immobilized onto gold surfaces. Flat surfaces were characterized bypolarization modulation infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS) to estimate thesurface coverage of different cryptophane monolayers and to evaluate the most effective method. Asurface coverage close to 100% was obtained for the cryptophane 3 immobilized onto gold surfaces.This compound has been also immobilized efficiently onto magnetic nanoparticles (γ-Fe2O3/SiO2)coated with gold nano-shell. These results allow to consider the synthesis of cryptophane bearing fivehydroxyl and one thiol functions to create materials able to extract toxic cations

Rhamnolipid (RL) biosurfactants have been considered "green" alternatives to synthetic surfactants. Here, systematic studies of monorhamnolipids (mRLs) and their synthetic analogues are performed to characterize their interfacial and solution behaviors as surfactants. Chemical structure-surface activity relationships of rhamnolipids were probed using surface tension measurements on RLs and a series of their synthetic analogues designed by "truncation modification." Based on our study on RLs and the rationally-designed RL analogues, the key structural factor responsible for the excellent surface activity performance of rhamnolipids is the presence of the rhamnose moiety in the headgroup. As a result, rhamnopyranosides (RhEs), the simplest surfactants with a rhamnose moiety in the headgroup, show surface activity comparable to the bioproduced mRLs. The purified mixture of mRLs harvested from Pseudomonas aeruginosa ATCC 9027 was mixed with a nonionic surfactant Tween-20 (TW) and studied by surface tension measurements at pH 8. The experimental values of CMC show deviation from the theoretical values predicted by ideal solution theory, which is hypothesized to be due to a shape change from rod-shaped to spherical as the mole fraction of TW is increased. The hypothesis about the shape change is supported by dynamic light scattering results, regular solution theory, and packing parameter theory. Polarization modulated-infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS) has been used to characterize the orientation of the synthetic rhamnolipid Rha-C18-C18 at the air-water interface. Although rhamnolipids exhibit pH-dependent micellization, their orientation at the air-water interface is not affected by pH. The average tilt angle of their alkyl chains is determined to be ~45° at a surface pressure π = 40 mN/m which decreases to 36° when Pb²⁺ is present in the subphase. Assisted by molecular modeling, the packing of mRLs at the air-water interface is believed to be dominated by the packing of their large hydrophilic headgroups. Finally, the adsorption isotherm of mRLs on hydrophobic polyethylene surfaces was generated by ATR-FTIR from solutions of different pH, which were then fit to a Frumkin adsorption model to yield the thermodynamic adsorption parameters, the adsorption equilibrium constant and the interaction parameter. mRLs strongly adsorb to d-PE, and the adsorption is pH dependent.

<p>Recent trends in materials science have exploited noncovalent monolayer chemistries to modulate the physical properties of 2D materials, while minimally disrupting their intrinsic properties (such as conductivity and tensile strength). Highly ordered monolayers with pattern resolutions <10 nm over large scales are frequently necessary for device applications such as energy conversion or nanoscale electronics. Scanning probe microscopy is commonly employed to assess molecular ordering and orientation over nanoscopic areas of flat substrates such as highly oriented pyrolytic graphite, but routine preparation of high-quality substrates for device and other applications would require analyzing much larger areas of topographically rougher substrates such as graphene. In this work, we combine scanning electron microscopy with polarization modulated IR reflection adsorption spectroscopy to quantify the order of lying down monolayers of diynoic acids on few layer graphene and graphite substrates across areas of ~1 cm². We then utilize these highly ordered molecular films for templating assembly of di-peptide semiconductor precursors at the nanoscale, for applications in organic optoelectronic device fabrication.<br></p><p></p>

The process of forcibly dewetting a solid substrate from a bulk liquid so as to leave a thin residual layer on the surface is referred to as forced dewetting. This novel experimental approach helps to investigate interfacial species by minimizing the interference of the bulk liquid when coupled with spectroscopy. In this work, the scope of liquids investigating using this approach has been expanded from simple fluids to one type of complex fluid, a nematic liquid crystal, 4-n-pentyl-4'-cyanobiphenyl (5CB).In order to better understand the interfacial behavior of the simple fluids, water, chloroform, and n-pentane vapors were adsorbed onto omega-terminated SAM-modifed Ag (11-mercaptoundecanoic acid, 11-mercaptoundenanol, and undecanethiol) surfaces under vapor-saturated conditions. The kinetics of solvent adsorption on each of these surfaces were investigated and the thicknesses of the adsorbed layer were compared to predictions from Lifshitz theory of long-range van der Waals interactions. Although the predicted thicknesses do not match the experimental values for adsorbed films, the predicted thicknesses do match those observed experimentally using forced dewetting. The correlation between these predicted and observed thicknesses implies that residual film formation under the conditions of forced dewetting used in this laboratory is dictated by interfacial forces alone.The surface adsorption behavior of 5CB was investigated using surface-enhanced Raman spectroscopy with the aid of localized surface plasmon resonances-surface plasmon polaritron coupling. The results clearly indicate that 5CB is adsorbed to smooth Ag surface in a facial orientation with pi-d orbital interaction suggested.Finally, forced dewetting studies of bare, -NH2-temintaed SAM, and -CH3-temintaed SAM modified-SiO2 substrates from 5CB were undertaken. Residual layer thicknesses were monitored as a function of substrate velocity. The transition from the regime in which interfacial forces dictate residual layer thickness to the regime in which fluid dynamic forces dictate thickness was observed for the first time and was evaluated in terms of the average 5CB director orientation. Unlike simple fluids, 5CB has strong interfacial interactions from surface anchoring depending on the chemical nature of the substrate, which makes the residual layer thicknesses at least 100 times larger than observed in simple fluids.

Fuel cells represent a promising technology for clean power generation because they convert chemical energy (fuel) into electrical energy with high efficiency and low-to-none emission of pollutants. Direct ethanol fuel cells (DEFCs) have several advantages compared to the most studied hydrogen and methanol fuel cells. First and foremost, ethanol is a non-toxic liquid, which lowers the investment of handling facilities because the current infrastructure for gasoline can be largely used. Second, ethanol can be conveniently produced from biomass, hence is carbon neutral which mitigates increasing atmospheric CO2. Last but not least, if completely oxidized to CO2, ethanol has a higher energy density than methanol since it can deliver 12 electrons per molecule. The almost exclusive oxidation to acetic acid overshadows the attractiveness of DEFCs considerably, as the energy density is divided by 3. The standard potential of acetic acid formation indicates that a reaction path including acetic acid, leads to inevitable potential losses of about 0.4 V (difference between ideal potential for CO2 and acetic acid "production"). The development of alkaline DEFCs had also been hampered by the lack of stable and efficient anion exchange membranes. Fortunately, this challenge has been well tackled in recent years,8,9 making the development of alkaline fuel cells (AFCs) which are of particular technological interest due to their simple designs and ability to operate at low temperatures (25-100 °C). In alkaline conditions, the kinetic of both the cathodic oxygen reduction and the anodic ethanol oxidation is facilitated. Furthermore, the expensive Pt catalyst can be replaced by the lower-cost and more active transition metals such as Pd. The main objectives of this project are: i) to provide detailed fundamental understanding of ethanol oxidation reaction on transition metal surfaces in alkaline media, ii) to propose the best rational catalyst design strategies to cleave the C–C bond during ethanol electrooxidation. To achieve these goals two methodologies are used, i.e., in-situ identification of ethanol electrooxidation products using polarization modulation infrared reflection absorption spectroscopy (PM-IRRAS) and mechanistic investigation using computational studies in the framework of density functional theory (DFT). The PM-IRRAS technique was advanced in this project to the level of distinguishing electrooxidation products at the surface of the nanoparticles (electrode) and in the bulk-phase of the electrolyte. This new PM-IRRAS utility makes it possible to detect molecules such as CO2 which desorbs from the catalyst surface as soon as they are formed. The DFT insights in this project, provides an explanation as to why it is difficult to break the C–C bond in ethanol and is used for screening the top candidate metals for further studies.

Il existe une très forte demande en biocapteurs pour la détection d’agents pathogènes dans le domaine environnemental et médical. Dans ce contexte, le contrôle de l’état de surface des biocapteurs joue un rôle crucial. Les monocouches auto-assemblées (Self-Assembled Monolayers, SAMs) permettent de fonctionnaliser de manière homogène et reproductible ces surfaces. Ces SAMs sont généralement obtenues à partir d’agents de couplage siliciés à longue chaîne alkyle. Mais, ces composés sont souvent difficiles à synthétiser et à purifier en raison de leurs faibles solubilités dans les solvants organiques. C’est pour cela que nous avons proposé d’introduire une fonction polaire (amide ou urée) au sein de ces films. Ces fonctions permettent également un auto-assemblage des molécules sur le substrat au moyen de liaisons hydrogène entre les molécules. Les nouvelles monocouches fonctionnelles ont été caractérisées entre autres par spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption par modulation de polarisation (PM-IRRAS) ce qui a permis d’identifier les différents groupes moléculaires. Ces monocouches ont aussi montré leurs capacités à immobiliser une molécule biologique (Protéine A). / There is an increasing demand for biosensors to detect pathogens in environmental and medical fields. In this context, the control of the surface properties plays an important role. Self-Assembled Monolayers (SAMs) allow to functionalize these surfaces homogeneously and reproducible. SAMs on silicon based surfaces are usually obtained from silylated coupling agents with long alkyl chain. However, these compounds are often difficult to purify owing to their low solubility in organic solvents. That’s why we proposed to introduce a polar function (amide or urea) in the molecular structure. These precursors were also capable of association by H-bonds and offer possibilities to control the organic assembly on the surfaces. The new functional monolayers were characterized by Polarization Modulation Infrared Reflection Adsorption Spectroscopy (PM-IRRAS) and others techniques such as XPS and contact angle in order to identify the different molecular groups on the surface. These functionalized monolayers have also shown their ability to immobilize biomolecules (Protein A).

Les protéines membranaires sont particulièrement riches en acides aminés aromatiques, tels que le tryptophane (W). On retrouve cette originalité dans beaucoup de peptides antimicrobiens et dans les protéines de fusion virales. La glycoprotéine de l'enveloppe de HIV-1, gp41, en est un exemple. Manifestement, les résidus W sont impliqués dans la perturbation des membranes et la formation des pores. L'objectif de ce travail est d'étudier le rôle des résidus W dans de telles activités en utilisant l'optique non linéaire. Pour cela, nous avons préalablement déterminé l'hyperpolarisabilité (le potentiel non linéaire) du W par la diffusion Hyper Raleigh (HRS). Puis nous avons montré une évolution de la réponse non linéaire de petits peptides synthétiques en fonction du nombre croissant de leurs résidus W. Ces résultats ont permis de suivre l'implication des tryptophanes de deux peptides K3W et gp41W, lors de leurs interactions avec des monocouches lipidiques à l'interface air-eau par la génération de second harmonique (SHG). D'autre part, l'influence de telles interactions sur la structure secondaire et l'orientation des peptides a été déterminée par le PM-IRRAS. Nous avons ainsi montré la cohérence entre les modifications du signal SHG, liées à des changements d'orientation des tryptophanes et celles des spectres de PM-IRRAS, dues à des changements d'orientation de la structure secondaire de gp41W / Membrane proteins are extremely rich in aromatic amino acids, like tryptophan (W). This particularity is found in many antimicrobial peptides and in several virus fusion proteins. An example of these fusion proteins is the HIV-1 envelop glycoprotein, the gp41. It is clear that the W residues are implicated in membrane perturbation and pore formation. The aim of this work was the investigation of the W residue role in such activities, using the nonlinear optic. First, we determined the W hyperpolarizabilité (nonlinear potential) by the Hyper Rayleigh Scattering (HRS). Then, the evolution of the nonlinear signal of small synthetic peptides, as function of the increasing number of their W residues, was demonstrated. These results allowed us to follow the W residue involvement of two peptides, K3W4 and gp41W, in the interaction with lipids monolayer at the air-water interface, using the second harmonic generation (SHG). The influence of such interaction in the peptide structure and orientation was determined using the PM-IRRAS. In conclusion, we showed the coherence between the SHG signal variation, due to the W orientation changes, and the PMIRRAS spectra modification, due to the gp41W helix orientation changes

La contamination bactérienne et le développement de biofilms marins sont des problèmes récurrents, et terriblement coûteux sur les structures immergées des bâtiments de l'armée. L'emploi de composés bactéricides et nocifs pour l'écosystème est désormais interdit. Les travaux menés lors de cette thèse avaient donc pour objectif de mettre au point des traitements de surface originaux préventifs, permettant de limiter l'adhésion des bactéries marines et, le cas échéant, leur développement sur des matériaux à base de cuivre et de titane. Des surfaces de cuivre ont été fonctionnalisées par des espaceurs sur lesquels ont été greffées des molécules antibactériennes : un peptide, la Magainine I et une enzyme, le lysozyme HEWL. Une deuxième stratégie a consisté en le greffage d'espaceurs, puis des agents antibactériens, sur des surfaces microsctucturées à l'aide de photopolymères dérivés de poly(méthyl méthacrylate). Sur les surfaces de titane, la Magainine I et l'HEWL ont été greffés sur deux types d'espaceurs, un silane et un PEG diamine. Les traitements de surface, antibactériens, ont été optimisés grâce à des caractérisations à chaque étape par IR, XPS, AFM et mesures d'angle de contact. Afin de mettre en évidence les propriétés antibiofilms des surfaces fonctionnalisées, quatre tests ont été mis en place : un test d'adsorption de protéines, un test d'adhésion de bactéries, un test de viabilité des bactéries adhérées et enfin un test de croissance des bactéries après contact avec les surfaces fonctionnalisées. A titre d'exemples, le développement de bactéries sur les surfaces de titane a été réduit de 90% et l'adhésion de bactéries réduite de 80% sur les surfaces de cuivre

L'objectif de ces travaux est d'étudier les effets d'une irradiation ultrasonore haute fréquence (500 kHz) sur la synthèse électrochimique de polymères conducteurs en milieu aqueux. Les ultrasons favorisent la réaction de polymérisation électrochimique en augmentant le transport des espèces électroactives vers l'électrode. Ils engendrent des films plus compacts, présentant une topographie plus fine et plus homogène. Les effets chimiques engendrés par la propagation de l'onde acoustique permettent un meilleur taux de dopage des films. Néanmoins, leur conductivité électrique se trouve légèrement diminuée, dû à une dégradation des chaînes polymères par l'activité cavitationelle. La possibilité de contrôler les propriétés de morphologie fut mise à profit dans différentes applications comme celles des capteurs pH potentiométriques ou des revêtements anti-corrosion. Pour de telles applications, utilisant ces films en tant que couche fonctionnelle, les surfaces obtenues en présence d'irradiation ultrasonore mènent à de meilleurs résultats. Une technique de masquage sélectif à base d'ultrasons focalisés a également été développée afin d'élaborer un substrat biphasique laissant présager d'intéressantes applications biologiques