Les protéines membranaires comme les récepteurs, les canaux ioniques et les transporteurs possèdent des rôles cruciaux dans les processus biologiques tels que la signalisation physiologique et les fonctions cellulaires. La description dynamique et fonctionnelle des structures protéiques est fondamentale pour comprendre la plupart des processus concernant les macromolécules biologiques. L'incorporation, dans des protéines, d'acides aminés non naturels (Uaas) possédant des propriétés physiques ou chimiques spécifiques fournit un puissant outil pour définir la structure et la dynamique de protéines complexes. Ces sondes permettent le suivi et la détection en temps réel de la conformation des récepteurs et des complexes de signalisation. Les approches d'expansion du code génétique ont permis l'incorporation d'Uaas servant de sondes dans des protéines avec une précision moléculaire. L'expansion héréditaire du code génétique peut permettre d'étudier la biologie des protéines de manière systémique.Avec cette stratégie, des Uaas capables de photopontage ont été utilisés pour étudier la relation structure/fonction des Protéines G Couplées aux Récepteurs (GPCR), telles que l'identification de la liaison du ligand ou des interactions protéine-protéine, en détectant les changements dynamiques avec les Uaas spectroscopiques et l'étiquetage bioorthogonal. Sur la base d'applications relativement bien établies d'Uaa dans les GPCR, ici, les analyses fonctionnelles sont combinées à l'incorporation génétique d'un Uaa photosensible spécifique au site, p-azido-L-phénylalanine (AzF) dans d'autres protéines membranaires, pour détecter la protéine, les changements conformationnels et les interactions protéiques. Contrairement à d’autres molécules photosensibles qui permettent aux protéines de répondre à la lumière, l'insertion des Uaas directement dans la chaine d’acides aminés offre des possibilités uniques pour le photo-contrôle de la protéine. Les aspects dynamiques de l'allostérie sont plus difficiles à visualiser que les modèles structuraux statiques. Une stratégie photochimique est présentée pour caractériser la dynamique des mécanismes allostériques des récepteurs NMDA neuronaux (NMDAR). Ces récepteurs appartiennent à la famille des canaux ioniques activés par le glutamate et portent la transmission synaptique excitatrice rapide associée à l'apprentissage et à la mémoire. En combinant le balayage AzF et un test fonctionnel résistant à la lumière, nous avons pu apporter des éléments permettant de mieux comprendre la dynamique des interfaces NTD (N-Terminal Domain des NMDAR) ainsi qu’un nouveau mécanisme de régulation allostérique, améliorant notre compréhension de la base structurale du mécanisme d’activation et de modulation des récepteurs NMDA.Outre l'incorporation de l’Uaa photopontant AzF dans les récepteurs neuronaux pour détecter l'effet fonctionnel, AzF a été appliqué pour piéger des interactions faibles et transitoires entre protéines dans un transporteur d'acides aminés LAT3, impliqué dans le cancer de la prostate. Les techniques de dépistage ont été établies en appliquant un photo-cross-linker positionné dans la protéine pour examiner les interactions entre LAT3 et les interacteurs inconnus et fournir des indices d'identification des partenaires de liaison.Dans l'ensemble, ce travail dévoile de nouvelles informations sur la modulation allostérique de l'activité du récepteur NMDA et sur les interactions protéines-protéines.. Les résultats pourraient fournir de nouvelles informations structurales et fonctionnelles et guider le dépistage de composés thérapeutiques pour des maladies associées au dysfonctionnement de ces protéines membranaires. / Membrane proteins including receptors, channels and transporters play crucial roles in biological processes such as physiological signaling and cellular functions. Description of dynamic structures and functions of proteins is fundamental to understand most processes involving biological macromolecules. The incorporation of unnatural amino acids (Uaas) containing distinct physical or chemical properties into proteins provides a powerful tool to define the challenging protein structure and dynamics. These probes allow monitoring and real-time detection of receptor conformational changes and signaling complexes. The genetic code expansion approaches have enabled the incorporation of Uaas serving as probes into proteins with molecular precision. Heritable expansion of the genetic code may allow protein biology to be investigated in a system-wide manner.With this strategy, photocrosslinking Uaas have been used to study GPCR structure/function relationship, such as identifying GPCR-ligand binding or protein-protein interactions, detecting dynamic changes with spectroscopic Uaas and bioorthogonal labeling. Based on relatively well-established applications of Uaa in GPCRs, here, functional assays are combined with the site-specific genetic incorporation of a photo-sensitive Uaa, p-azido-L-phenylalanine (AzF) into other membrane proteins, to probe protein conformational changes and protein interactions. Unlike photo-sensitive ligands that enable proteins in response to light, the site-specific insertion of light-sensitive Uaas facilitates directly light-sensitive proteins. Dynamic aspects of allostery are more challenging to visualize than static structural models. A photochemical strategy was presented to characterize dynamic allostery of neuronal NMDA receptors (NMDARs), which belong to the ionotropic glutamate receptor channel family and mediate the fast excitatory synaptic transmission associated with learning and memory. By combining AzF scanning and a robust light-induced functional assay the dynamics of NMDAR N-terminal domain (NTD) interfaces and novel allosteric regulation mechanism were uncovered, improving our understanding of the structural basis of NMDAR gating and modulation mechanism.Besides incorporation of photo-cross-linker AzF into neuronal receptors to detect the functional effect, AzF was used to trap transient and weak protein-protein interactions in an amino acid transporter LAT3, which is critical in prostate cancer. Screening technique was established by applying genetically encoded photo-cross-linker to examine interactions between LAT3 and unknown interactors and provide clues to identify the binding partners.Overall, the work reveals new informations about the allosteric modulation of channel activity and proteins interactions. These light-sensitive proteins facilitated by site-specific insertion of light-sensitive Uaas enable profiling diversity of proteins. The results will provide novel structural and functional information and may guide screening of therapeutic compounds for diseases associated with malfunctioning of these membrane proteins.

Dans cette thèse, nous proposons et démontrons un nouveau type de nanobiocapteur pour la détection de biomolécules à haute sensibilité et leur intégration à grande échelle (plaquette de 4 pouces). Le principe du nouveau nanobiocapteur électrique est basé sur la variation de conductivité électrique à travers des nano-îlots grâce au phénomène quantique appelé "blocage de Coulomb". Les nano-îlots de nickel (~5nm de diamètre) sont placés entre les nano-électrodes interdigitées (IND) (~45nm de largeur). La conductivité de ces dispositifs à Jonctions Tunnel Multiples (MTJ) est modifiée par l'adsorption de biomarqueurs impliqués dans la tumorogènese. Les oncologues ont récemment isolé et caractérisé un nouveau fragment d'anticorps à chaîne simple (scFv) qui reconnaît sélectivement la forme active de RhoA. Ce biomarqueur potentiel a été trouvé surexprimé dans diverses tumeurs. Les fragments d'anticorps ont été adsorbés, par des liaisons de coordination, sur les nano-îlots de nickel. Ces fragments sont capables de reconnaître spécifiquement la forme active de RhoA. Nous avons étudié ce biomarqueur et validé la chimie de surface à base de nano-'îlots de nickel pour la détection sans marquage, en utilisant une microbalance à quartz (QCM). Puis, nous avons mis au point et adapté à notre dispositif une méthodologie innovatrice pour réaliser, à l'échelle d'une plaquette, des microcanaux basés sur du photoPDMS. La caractérisation électrique finale des dispositifs intégrés a été testée en temps réel et à flux biologique continu. La forme active de RhoA a été détectée en discriminant la forme inactive. En annexe, je présente mon opinion épistémologique et éthique sur la nanotechnologie.

Ce mémoire traite de l'élaboration et de la validation d'une nouvelle filière technologique pour circuits micro-ondes. Le chapitre I montre les avantages des structures de type coplanaire et la possibilité de minimiser les pertes et la dispersion fréquentielle en remplaçant le substrat par une membrane. Le chapitre II expose le développement d'une membrane composite en oxyde et en nitrure de silicium. Nous montrons que des membranes de 5 mm x 10 mm et de 1,4 µm d'épaisseur sont faisables par un procédé de micro-usinage chimique du silicium et qu'elles résistent à des pressions différentielles de 0,5 bar. Le chapitre III présente deux techniques de confection de circuits : la photolithographie pour les épaisseurs de métal inférieures à 1 µm, le dépôt électrolytique localisé pour les épaisseurs supérieures. La précision dimensionnelle est de l'ordre de 1 µm dans les deux cas. Les chapitres V et VI concernent la conception de démonstrateurs à ligne de transmission et leur caractérisation. Le dimensionnement est réalisé par analyse quasi statique et par simulations électromagnétiques 2,5D. Les résultats montrent des pertes inférieures à 0,1 dB/mm jusqu'à 65 GHz et l'absence de dispersion. Dans les bandes de fréquences L à X, l'optimisation de l'épaisseur de métal a permis d'obtenir des pertes encore plus faibles. Enfin nous avons expérimenté un procédé spécifique permettant de diminuer les pertes diélectriques dans les accès sur substrat épais. Le chapitre VI est dédié au développement d'une technologie de micro-blindage en silicium qui assure une protection électromagnétique et mécanique des circuits. Les capacités de cette technologie sont illustrées par la réalisation d'un filtre passe-bande centré à 30 GHz. Il est montré que le micro-blindage n'augmente pas les pertes d'insertion (1 dB). Les filières permettent la fabrication simultanée de circuits différent s, avec un rendement voisin de 100%. Le fonctionnement des démonstrateurs a été vérifié de -65°C à +125°C.

Ces dernières années, les matériaux fonctionnels hybrides ont commencé à être employés pour des applications de la haute technologie, allant des senseurs bio/médicaux, à la production d’énergie renouvelable. Pour cette raison, ils sont devenus le centre de plusieurs études dans le domaine des sciences des matériaux. Simultanément, des molécules conjuguées ont été examinée intensément à cause de leurs propriétés venant de leurs longs systèmes π, allant de la possibilité de conduire l’électricité, à leur capacité d’absorber la lumière dans une grande fenêtre spectrale. Le travail de cette thèse se concentre sur l’introduction de tels systèmes dans deux sortes de matériaux hybrides, les dispositifs photovoltaïques pour la production d’électricité (en particuliers les cellules solaires à pigment photosensible) et de carburants alternatifs (hydrogène), et pour les hydrogels biocompatibles sensibles aux stimuli (capables de conduire l’électricité et de réagir sous irradiation), et sur l’étude de leur influence sur les caractéristiques du matériau final. / In recent years hybrid functional materials began to be employed in a series of technologically advanced applications spanning from bio/medical sensors, to renewable energy generation. For this reason, they became the focus of several studies in the field of materials science. At the same time, conjugated molecules have also been intensively investigated, due to the properties arising by the presence of long π-conjugated systems, from the possibility to conduct electricity to the ability to absorb light in a wide range of wavelengths. This PhD work focused on the introduction of such systems in two different kinds of hybrid materials, namely photovoltaic devices for the production of electricity (in particular Dye Sensitzed Solar Cells) and alternative fuels (hydrogen), and biocompatible stimuli-responsive hydrogels (capable to conduct electricity and to react upon irradiation), and on the study of their influence on the characteristics of the final material.

Propriétés photorefringentes et photovoltaïques de linbo::(3) dope au fer. On décrit des expériences de traitement d'image en lumière partiellement cohérente dans lesquelles le cristal de linbo::(3) est utilise comme récepteur d'image. On peut obtenir ainsi la somme ou la différence de 2 distributions d'intensité. On développe une technique qui permet de réaliser soit une inversion de contraste soit une pseudo-coloration d'un objet noir et blanc. Sélectivité angulaire des réseaux de phase épais.

Les verres de phosphates de zinc et gallium contenant de l’argent ont permis des développements originauxau travers de la structuration d’architectures photoniques multi-échelles innovantes en volume, en surfaceou sur fibre, et également à travers l’ingénierie de composition chimique du matériau. Un taux accru d’oxyded’argent permet de maximiser la quantité de paires au sein de la matrice vitreuse lors de la synthèse dumatériau. Ce dimère favorise les processus d’agrégation conduisant à la formation d’espèces lors del’interaction locale entre le verre et le laser femtoseconde infrarouge. Une étude par spectroscopie RPEmenée sur des échantillons irradiés par des sources ionisantes a permis de montrer que le débit de dose estprépondérant quant au contrôle des processus chimiques. Des centres à électron et à trou sont les espècesmajoritairement stabilisées à faible débit de dose, alors que la formation d’agrégats d’argent luminescentsintervient pour des puissances crête élevées typiques des lasers ultra-courts. Le caractère local de lastructuration par Direct Laser Writing a permis de créer des objets 3D originaux. L’analyse fine de ladistribution chimique au sein d’objets fluorescents a permis de montrer clairement une zone de déplétion enions argent au centre. Les effets de migration d’ions depuis le centre du faisceau laser vers le bord externea ainsi été mis en évidence. Le dopage des verres photosensibles par des ions europium a permis de montrerdes effets de synergie entre agrégats d’argent photo-inscrits et lanthanides trivalent. En effet, une exaltationde l’émission de luminescence de ces derniers à l’endroit des structurations laser a été mesurée. / The silver-containing phosphate glasses allowed original developments throughout the microstructuring ofarchitectures for innovative photonic in the volume, at the surface or in the fibered material. The chemicalengineering of the material plays an important role from this point of view. An increasing silver oxide ratioleads to an important quantity of pairs in the pristine glass matrix. This dimer in favor of the aggregationprocess bringing to the production of species during the interaction between the glass and the infraredfemtosecond laser. A study conducted by EPR spectroscopy on irradiated samples (ionizing sources)demonstrated that the dose rate is predominant for the control of the involved chemical process. Mainly,electron and holes are stabilized at low dose rate whereas the formation of luminescent silver clusters occursfor high peak power typical of ultra-short lasers. The Direct Laser Writing process allows local structuring ofthe matter and resulted in original tridimensional patterns. The fine chemical distribution analysis insideannular fluorescent objects clearly showed a depletion zone of the silver concentration in the center. Ionicmigration effects from the center towards the edges of the laser beam are then highlighted. The Eu3+-dopedphotosensitive glasses emphasized a synergy between photo-induced silver clusters and trivalentlanthanides. Indeed, a luminescence exaltation associated to the europium emission is measured.

La miniaturisation des systèmes d'imagerie présente aujourd'hui un fort potentiel dans plusieurs domaines, dont le développement de nouveaux dispositifs biomédicaux. Les exigences associées concernant l'imagerie demandent un effort substantiel dans le développement de composants optiques de haute qualité. Un meilleur contrôle de la propagation de la lumière ou de ses caractéristiques dans de tels systèmes est également important. Les composants doivent donc, par exemple, contenir les aberrations optiques pouvant affecter la résolution, la mise en œuvre de composants optiques dont le profil de phase continu est bien contrôlé est une voie intéressante. Ces composants devraient, de plus, être réalisés à partir de matériaux robustes en vue de leur assemblage au sein de dispositifs miniatures. Ce manuscrit de thèse de doctorat porte donc sur la conception et la fabrication parallèle de tels micro-composants optiques réfractifs réalisés en verre. Dans ce but, deux technologies ont été étudiées et optimisées, la lithographie à niveaux de gris et un procédé de soufflage de verre. En exemple, des microaxicons en verre ont été fabriqués et la génération de faisceaux de Bessel démontrée. Ce type de faisceau est caractérisé par une longue distance de propagation non-diffractive le long de l'axe optique, suivie d'une forme de faisceaux creux, qui les rend très utiles dans de nombreux domaines. Ces travaux de thèse ont été soutenus par le projet SMYLE (Small Systems for a Better Life) et le conseil Régional de Franche-Comté. / Miniaturization of imaging systems shows nowadays a strong potential for many applications, in particular, e. g., for novel biomedical devices. Related imaging specifications require a substantial effort onto the development of high quality microoptical components. better control of light propagation and features in such system sis also of particular interest. Components should then e.g. contain optical aberrations in order to reach high resolutions. In purpose of searching higher diffraction efficiencies or resolutions, optical components with well-controlled continuous phase profiles are sought. In addition, they also should be made of robust materials to handle their further assembly into miniaturized devices. Consequently, the manuscript focuses on the design and the parallel fabrication of such microoptical components made of glass. To that end, two technologies have been studied and optimized, namely gray-scale lithography and glass-blowing processes. As an example, glass-based microaxicons have been fabricated and Bessel beams generation has been demonstrated. This type of beam exhibits a long non-diffractive propagation distance along the optical axis followed by a dark hollow shape which makes them useful in many different applications. This work has been supported by the SMYLE (Smart Systems for a Better Life) European project and the Ranche-Comté Regional Council.

Des glycopolymères greffés et dibloc, amphiphiles et photosensibles, à base de poly(acrylate d'o-nitrobenzyle) (PNBA) hydrophobe et photoclivable et de dextrane hydrophile ont été préparés avec succès en utilisant notammennt une réaction d'Huisgen (Cycloaddition Azoture-Alcyne catalysée par le Cuivre (I) - CuAAC chimie click). Dans un premier temps, la polymérisation de l'acrylate d'o-nitrobenzyle a été contrôlée avec succès grâce aux développements récents de la polymérisation radicalaire vivante par transfert d'un seul électron (SET-LRP). Nous avons alors obtenu un PNBA fonctionnalisé à son extrémitié par un brome. Ce brome a ensuite été substitué par un groupe azido. En parallèle, le dextrane a été modifié pour y introduire plusieurs fonctions alcyne (dextrane alcyne) ou une seule sur son extrémité réductrice (dextrane α-alcyne). Nous avons ensuite fait réagir ces dérivés de dextrane avec le PNBA-N3 pour obtenir respectivement les glycopolymères greffés et dibloc. Tous les glycopolymères ont été caractérisés par chromatographie d'exclusion stérique (SEC), Résonnance Magnétique Nucléaire 1H, 13C, 2D DOSY 1H et par spectrométrie FT-IR. Dans un deuxième temps, nous avons optimisé les conditions pour obtenir des nanoparticules peu disperses à partir des précédents glycopolymères. Dans certains cas, des nanoparticules ont également été obtenues en utilisant le dextrane alcyne et le PNBA-N3 dans un procédé d'émulsion/évaporation de solvant organique. La stabilité de toutes les nanoparticules vis-à-vis de solutions aqueuses de diverses forces ioniques ou d'un tensioactif compétitif a été étudiée. Enfin, l'effet de la lumière sur ces nanoparticules photosensibles a été mis en évidence à l'aide de la lampe UV. Plus précisément, nous avons pu suivre la destruction des nanoparticules par spectroscopie de fluorescence et diffusion de lumière dynamique en encapsulant le Rouge du Nil (sonde fluorescente) au sein de ces particules / Photosensitive grafted and diblock amphiphilic glycopolymers based on hydrophobic photosensitive poly(o-nitrobenzyl acrylate) (PNBA) and hydrophilic dextran were successfully prepared via grafting onto techniques through a Huisgen-type Copper(I) catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition (CuAAC click chemistry). Firstly, recent developments in the single-electron transfer–living radical polymerization (SET–LRP) provided us an access to control the o-nitrobenzyl acrylate polymerization and we obtained PNBA with bromide end function. Then, this bromide end function was replaced by azido (N3) group. In a parallel way, we modified dextran by introducing several alkyne groups all long the polysaccharide chain (alkynated dextran) or only one group at the reducing end-chain (α-alkyne dextran). In the second step, alkynated dextran and α-alkyne dextran were reacted with PNBA-N3 by CuAAC to obtain grafted or diblock glycopolymers. All glycopolymers were characterized by Size Exclusion Chromatography, 1H, 13C, 2D DOSY 1H NMR and FT-IR spectroscopy. Secondly, conditions to formulate nanoparticles from the previous glycopolymers were optimized. In some case, we also carried out an emulsion/evaporation process using dextran alkynated and PNBA-N3 to produce nanoparticles. Then, stability of nanoparticles were studied over rang of ionic strengths as well as stability in presence of a competitive surfactant. Finally, the effect of light on these photosensitive nanoparticles was studied using UV-lamp. More precisely, we loaded these nanoparticules by Nile Red fluorescent dye and followed thier destruction by using fluorescence spectroscopy and Dynamic Light Scattering

Nous avons développé un véritable instrument de mesure et de caractérisation en temps réel des réseaux dynamiques photoinduits dans des matériaux holographiques. La technique des réseaux mobiles utilisée ne suppose pas connue la nature du reseau. Elle caracterise les modulations d'indice et d'absorption, a savoir leurs amplitudes et leurs dephasages par rapport au système de franges d'inscription. Il suffit de translater le reseau pendant un temps tres bref perpendiculairement aux franges, et de détecter les variations d'intensité des faisceaux qui les forment. Nous avons évalué les capacités et les limitations de ce dispositif qui fournit, pour la premiere fois, la cinetique de l'ensemble des paramétrés des reseaux. Nous l'avons adapte aux différents types de materiaux étudiés. Dans des matériaux photorefractifs organiques, le déphasage du réseau d'indice mesure indique bien un effet non local, dont les manifestations sont compatibles avec l'effet photorefractif qui serait cree par orientation des chromophores sur la direction du champ total. Nous avons aussi décelé un petit réseau d'absorption en quadrature avec le réseau d'indice majoritaire. Dans les sol-gels mous sik-dr1, nous avons sépare le réseau de surface du réseau de photoisomerisation, et mesure directement pour la premiere fois le déphasage de des réseaux de surface. Mettant un terme a un débat résultant d'expériences indirectes et controversées, cette valeur est en accord avec les modeles de photomigration. Nous avons montre que la variation temporelle quasi linéaire du déphasage des réseaux, observée avec des matériaux sol-gels et des cristaux liquides, est un artefact experimental qui affecte l'analyse de tous les matériaux lents : ce sont les franges d'inscription qui bougent par rapport au réseau photoinduit. Cette derive des franges est a l'origine des phénomènes de transfert d'énergie décrits dans certains de ces matériaux lents.