Les sciences de la vie et de la santé sont aujourd'hui au centre d'intérêts scientifiques et économiques. Les aspects économiques sont présidés par le développement de nouveaux outils de diagnostic fiables, reposant sur des mesures parallélisées d'interaction moléculaires au niveau de l'ADN ou des protéines. L'intérêt scientifique est très pluridisciplinaire, car les mécanismes de la vie impliquent des réactions physico-physiques multiples, que l'on aborde avec des technologies nouvelles et des approches de modélisation encore à développer. Dans ce panorama, les micro- et nano-technologies sont appelées à apporter de nouvelles solutions car elles permettent de manipuler des cellules ou des molécules avec une grande précision temporelle et spatiale. Elles sont en outre complémentaires avec les outils classiques de la biologie cellulaire et moléculaire, qui permettent des analyses sur des échantillons de grande dimension. Pourtant les exemples de succès scientifiques à l'interface des sciences de la vie et de la biologie restent plutôt rares. Dans ce manuscrit, nous faisons un tour d'horizon sur l'émergence de nouvelles technologies dédiées à l'analyse du génome. Nous présentons certaines de nos contributions, et proposons quelques pistes pour de futures recherches, principalement focalisées sur l'étude des mécanismes d'instabilité du génome réalisée dans des populations contenant seulement quelques cellules.

L'ADN chromosomique des cellules eucaryotes est fortement condensé au sein d'un complexe nucléoprotéïque, la chromatine. Aussi bien l'organisation spatiale que la composition biochimique (état “épigénomique”) de la chromatine jouent un rôle fondamental dans la régulation des gènes. Grâce aux récents développements des techniques de séquençage à haut-débit, il est possible de déterminer l'état épigénomique local de la chromatine ainsi que la probabilité de contact entre deux sites génomiques (technique dite de “Hi-C”). Ces deux techniques ont permis de mettre en évidence l’existence de domaines d’interaction dont les positions corrèlent fortement avec la segmentation épigénomique de la chromatine. Cependant, les mécanismes responsables de ce couplage sont encore mal compris. L’objectif de cette thèse est de bâtir des modèles physiques permettant de valider l’hypothèse que l’épigénome est un acteur majeur dans le repliement 3D de la chromatine. Pour cela, nous avons tout d’abord développé “IC-Finder”, un algorithme permettant de segmenter les cartes Hi-C en domaines d’interaction. Nous avons alors pu quantifier précisément l’association entre épigénome et organisation de la chromatine. Les corrélations trouvées justifient l’idée de modéliser la chromatine par un copolymère par bloc dont les monomères ont chacun un état épigénomique. Dans ce cadre, nous avons développé une méthode d’inférence des potentiels d'interaction entre sites génomiques à partir des cartes Hi-C expérimentales. Ce travail permettra à plus long terme de prévoir l’organisation de la chromatine sous différentes conditions, ce qui permettra d’étudier en particulier les changements de structure résultant de l’altération de l’épigénome. / DNA of eukaryotes is highly condensed in a nucleoprotein complex called chromatin. Both the spatial organization and the biochemical composition (“epigenomic” state) of the chromatin are fundamental for gene regulation. Remarkably, recent studies indicate that1D epigenomic domains tend to fold into 3D topologically associated domains (TADs) forming specialized nuclear chromatin compartments. In this thesis, we address the question of the coupling between chromatin folding and epigenome. We first built a software called IC-finder to segment HiC maps into interacting domains. We next used it to quantify correlations between the TADs and epigenomic partitions of the genome. This led us to develop a physical model of the chromatin with the working hypothesis that chromatin organization is driven by physical interactions between epigenomic loci. We modeled chromatin as a block copolymer where each block corresponds to an epigenomic domain. With this framework, we developed a method to infer interaction parameters between chromatin loci from experimental Hi-C map. An outcome of such inference process would be a powerful tool to predict chromatin organization in various conditions, allowing investigating in silico changes in TAD formations and long-range contacts when altering the epigenome.

De nombreuses études théoriques et expérimentales ont été menées au cours des 30 dernières années afin d'établir le lien entre les propriétés d'interaction des protéines, leurs transitions de phase et leur auto-assemblage. Des avancées significatives ont ainsi été permises grâce à l'application de concepts et méthodes de la physique des polymères et des colloïdes. Ces études ont, pour la majeure partie d'entre elles, été limitées à des protéines d'intérêt médical et à des protéines animales. Ce travail de thèse vise à appliquer ce type d'approche aux protéines végétales afin de mieux comprendre leurs propriétés d'interaction à l'origine de leurs propriétés fonctionnelles au sein des grains et dans les matrices alimentaires. Ce travail a été mené sur un isolat de protéines de réserve du blé composé principalement de la fraction monomérique: les gliadines. Nous avons étudié les transitions de phase des gliadines afin de mieux comprendre leurs propriétés d'interaction d'une part et les structures associées d'autre part. Dans un premier temps, une procédure d'extraction a été développée afin de travailler sur un isolat de composition contrôlée dont les masses moléculaires sont comprises entre 20 kDa et 300 kDa. Le comportement de phase de cet isolat a ensuite été étudié en diminuant la qualité du solvant. Nous avons ainsi déterminé le diagramme de phases (T-Φ), où T est la température et Φv la fraction volumique des gliadines. Cette étude a mis en évidence une séparation de phase de type liquide-liquide dans le système par diminution de la température. Une analyse détaillée de la répartition des protéines au sein des deux phases en fonction de leur masse moléculaire a permis d'identifier une masse moléculaire critique séparant des protéines de comportement de type colloïdal et des protéines de comportement de type polymérique. A partir du diagramme de phase, deux études structurales ont été effectuées. La première a étudié les cinétiques de séparation de phase lors de la diminution de la température pour caractériser la dynamique locale de séparation de phase et identifier les mécanismes qui génèrent les systèmes concentrés. Deux grands types de mécanismes de séparation de phase ont été identifiés : nucléation-croissance et décomposition spinodale. La seconde étude structurale a consisté à établir l'équation d'état pression osmotique vs concentration dans des conditions de bon solvant et à caractériser la structure des dispersions de protéines associée. La relation pression osmotique vs fraction volumique a permis de mettre en évidence l'existence de plusieurs régimes de structuration, associés à des changements de structure secondaire et de propriété rhéologique. La discussion générale permet de mettre en relation les propriétés thermodynamiques déduites de cette approche expérimentale et les changements structuraux observés à différentes échelles. / A substantial body of theoretical and experimental studies has been conducted over the last 30 years to establish the link between protein interaction properties, phase transitions and self-assembly. Both colloidal and polymer physics provide a new framework for understanding the driving force for proteins phase behaviour. Such studies have been limited to health-related proteins and to a few food proteins, mainly animal proteins such as casein, whey proteins. This thesis aims to apply this approach to plant proteins to better understand their interactions properties, at the basis of their functional properties within grains and food matrices. This work was carried out on a wheat storage protein isolate mainly composed of the monomeric fraction: gliadins.The objective of this PhD thesis is to investigate the phase transitions of wheat proteins to develop our knowledge on their interaction properties and the associated structures. We organized our experimental approach in five steps. First, we developed an extraction procedure to work on a protein isolate of controlled composition with molecular weight ranging from 20 to 300 kg mol-1. Then, we investigated the phase behaviour of the protein isolate by decreasing the solvent quality, here the temperature. We determined the T-Φ phase diagram, where T is the temperature and Φv the protein volume fraction, that maps the phase and structural transitions of the proteins. This study showed the existence of a liquid-liquid phase separation in the system upon a temperature decrease. We evidenced two different behaviours among proteins as a function of their MWs and highlighted a critical protein size above which the molecular weight is the key determinant of the protein properties. From the phase diagram, two structural studies were conducted. The first one studied the kinetics of phase separation upon temperature decrease to characterize the local dynamics of phase separation and to identify the mechanisms that generate concentrated systems. Two main mechanisms of phase separation have been identified: nucleation-growth and spinodal decomposition. The second one studied the effect of protein concentration on the multi-scale structure of wheat gliadins in good solvent. The integration of all these results allowed us to build the phase diagram of wheat gliadins, integrating thermodynamic and structural data.

De faibles quantités de polymères flexibles de haut poids moléculaire induisent des effets significatifs sur les propriétés d'écoulement de fluides. Cette thèse présente une étude expérimentale détaillée de l'interaction Polymère -Ecoulement dans deux situations modèles : La première se focalise sur un processus singulier : le détachement d'une goutte d'un capillaire. Le caractère purement élongationnel que présente l'approche du point de rupture, permet de mettre en évidence une inhibition abrupte de cette singularité en temps fini. Ceci donne lieu, lorsque les taux d'élongation sont de l'ordre de l'inverse du temps de relaxation des polymères, à la formation de filaments s'amicissant exponentiellement et qui sont associés à des viscosités élongationnelles non stationnaires extrêmement importantes. La seconde expérience quant à elle, utilise des films de savon afin de générer un écoulement quasi-bidimensionnel turbulent. La présence de polymères induit alors une suppression des transferts d'énergie vers les grandes échelles par le biais d'une réduction des forts taux d'élongation présents dans l'écoulement. La dynamique des fluctuations d'épaisseur du film qui joue le rôle d'un scalaire passif de l'écoulement se trouve également profondément modifiée. Mots-Clés : Physique des Polymères, Instabilité interfaciale, Singularités en temps fini, Rhéologie, Viscosité élongationnelle Turbulence bidimensionnelle, Films de savon, Réduction de Traînée turbulente, Scalaire passif.

Plusieurs indices suggèrent que le repliement du chromosome et la régulation de l’expression génétique sont étroitement liés. Par exemple, la co-expression d’un grand nombre de gènes est favorisée par leur rapprochement dans l’espace cellulaire. En outre, le repliement du chromosome permet de faire émerger des structures fonctionnelles. Celles-ci peuvent être des amas condensés et fibrillaires, interdisant l’accès à l’ADN, ou au contraire des configurations plus ouvertes de l’ADN avec quelques amas globulaires, comme c’est le cas avec les usines de transcription. Bien que dissemblables au premier abord, de telles structures sont rendues possibles par l’existence de protéines bivalentes, capable d’apparier des régions parfois très éloignées sur la séquence d’ADN. Le système physique ainsi constitué du chromosome et de protéines bivalentes peut être très complexe. C’est pourquoi les mécanismes régissant le repliement du chromosome sont restés majoritairement incompris.Nous avons étudié des modèles d’architecture du chromosome en utilisant le formalisme de la physique statistique. Notre point de départ est la représentation du chromosome sous la forme d’un polymère rigide, pouvant interagir avec une solution de protéines liantes. Les structures résultant de ces interactions ont été caractérisées à l’équilibre thermodynamique. De plus, nous avons utilisé des simulations de dynamique Brownienne en complément des méthodes théoriques, car elles permettent de prendre en considération une plus grande complexité dans les phénomènes biologiques étudiés.Les principaux aboutissements de cette thèse ont été : (i) de fournir un modèle pour l’existence des usines de transcriptions caractérisées in vivo à l’aide de microscopie par fluorescence ; (ii) de proposer une explication physique pour une conjecture portant sur un mécanisme de régulation de la transcription impliquant la formation de boucles d’ADN en tête d’épingle sous l’effet de la protéine H-NS, qui a été émise suite à l’observation de ces boucles au microscope à force atomique ; (iii) de proposer un modèle du chromosome qui reproduise les contacts mesurés à l’aide des techniques Hi-C. Les conséquences de ces mécanismes sur la régulation de la transcription ont été systématiquement discutées. / Increasing evidences suggest that chromosome folding and genetic expression are intimately connected. For example, the co-expression of a large number of genes can benefit from their spatial co-localization in the cellular space. Furthermore, functional structures can result from the particular folding of the chromosome. These can be rather compact bundle-like aggregates that prevent the access to DNA, or in contrast, open coil configurations with several (presumably) globular clusters like transcription factories. Such phenomena have in common to result from the binding of divalent proteins that can bridge regions sometimes far away on the DNA sequence. The physical system consisting of the chromosome interacting with divalent proteins can be very complex. As such, most of the mechanisms responsible for chromosome folding and for the formation of functional structures have remained elusive.Using methods from statistical physics, we investigated models of chromosome architecture. A common denominator of our approach has been to represent the chromosome as a polymer with bending rigidity and consider its interaction with a solution of DNA-binding proteins. Structures entailed by the binding of such proteins were then characterized at the thermodynamical equilibrium. Furthermore, we complemented theoretical results with Brownian dynamics simulations, allowing to reproduce more of the biological complexity.The main contributions of this thesis have been: (i) to provide a model for the existence of transcrip- tion factories characterized in vivo with fluorescence microscopy; (ii) to propose a physical basis for a conjectured regulatory mechanism of the transcription involving the formation of DNA hairpin loops by the H-NS protein as characterized with atomic-force microscopy experiments; (iii) to propose a physical model of the chromosome that reproduces contacts measured in chromosome conformation capture (CCC) experiments. Consequences on the regulation of transcription are discussed in each of these studies.