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.

Ce travail de thèse est consacré à la manipulation et la déformation optique d'interfaces liquides molles, cela dans deux géométries fondamentales: plane et sphérique. Nous montrons alors que les déformations induites par pression de radiation optique permettent de déduire les propriétés des interfaces, comme la tension interfaciale par exemple. Dans le cadre de la déformation d'une interface liquide plane par pression de radiation, nous généralisons pour la première fois la manifestation électro-hydrodynamique des cônes de Taylor au régime optique, en montrant que des cônes liquides peuvent émerger sous fortes excitation laser. Nous avons alors caractérisé la morphologie de ces « cônes optiques » et nous montrons que l'angle de ces derniers dépend à la fois des paramètres de l'excitation laser mais aussi des caractéristiques des fluides. Une étude analytique ainsi qu'une étude numérique ont alors été menées afin de rendre compte des comportements observés.Afin d'étudier la déformation d'interfaces molles en géométrie sphérique, nous avons développé un double piège optique fibré en dispositif microfluidique dans une configuration inédite en termes de longueur d'onde excitatrice et de puissance laser. Nous avons alors appliqué notre dispositif à la déformation de vésicules en tant qu'objets modèles mous et nous montrons que notre double piège est bien adapté à la caractérisation rhéologique d'objets micrométriques déformables. Grâce à l'utilisation de faisceaux laser de forte puissance, nous mettons ici en évidence expérimentalement l'apparition d'un régime non-linéaire de déformation au sein de notre double piège optique. / This thesis work is devoted to the optical manipulation and deformation of soft liquid interfaces, in two fundamental geometries: plane and spherical. We then show that the deformations induced by optical radiation pressure allow to deduce the properties of interfaces, such as interfacial tension for example. In the framework of the deformation of a plane liquid interface by optical radiation pressure, we generalize for the first time the electro-hydrodynamic manifestation of Taylor cones to the optical regime, showing that liquid cones can emerge under intense laser excitation.We then characterized the morphology of these "optical cones" and we show that their angle depends both on the parameters of the laser excitation and on the characteristics of the fluids. An analytical study as well as a numerical investigation were then conducted to account for the observed behaviors. In order to study the deformation of soft interfaces in spherical geometry, we have developed a fiber-based dual-beam optical trap in a microfluidic device in a novel configuration in terms of excitation wavelength and laser power. We then applied our device to the deformation of vesicles as soft model objects and we show that our dual-beam trap is well adapted to the rheological characterization of deformable micron-sized objects. Thanks to the use of high laser power beams, we experimentally highlight the appearance of a non-linear deformation regime within our double optical trap.

Le ribosome est un organite essentiel de la cellule qui assure la synthèse des protéines. C'est une structure très conservée, composée d'ARN et de protéines ribosomiques organisés en deux sous-unités. Les expériences de reconstitution in vitro du ribosome d'E. coli ont montré que l'assemblage est un processus coordonné impliquant de nombreuses interactions entre les différents constituants. En particulier, les premières étapes de l'assemblage de la grande sous-unité dépendent fortement de la fixation coopérative de cinq protéines ribosomiques à l'ARN 23S, mais les mécanismes moléculaires sous-jacents sont mal connus.Cette étude à l'échelle de la molécule unique vise à préciser ces mécanismes et porte sur un fragment constitué des hélices H18, H19 et H20 du domaine I de l'ARN ribosomique 23S contenant les sites de fixation des protéines uL24 et uL4. Ce fragment d'ARN a été préparé dans une configuration qui permet la mesure de force via un double piège optique. Les courbes de force obtenues ont permis de dresser une cartographie de la stabilité des structures du fragment d'ARN.Ces cartes ont été comparées en absence et en présence des protéines ribosomiques uL24 et/ou uL4, démontrant ainsi que le fragment d'ARN est stabilisé par la fixation des protéines uL24 et/ou uL4. Leur fixation est coopérative et la présence conjointe des deux protéines sur-stabilise les structures du fragment d'ARN.Ces résultats sont discutés dans la perspective de préciser le rôle du fragment d'ARN et des protéines ribosomiques uL24 et uL4 dans l'assemblage de la grande sous-unité du ribosome. / Ribosomes are essential organelles of the cell responsible for the synthesis of proteins. Their well conserved structure made of RNA and proteins is organized into two subunits. In vitro reconstitution of E. coli ribosomes showed that their assembly is a coordinated process which involves many interactions between the components. More specifically, the early stages of the large subunit assembly depend strongly on the cooperative binding of five ribosomal proteins to the 23S RNA. The underlying molecular mechanisms however remain poorly understood.The aim of this study is to shine new light on these mechanisms at the single molecule level. It focuses on a 23S ribosomal RNA fragment composed of the helices H18, H19 and H20 in domain I which encompasses the binding sites of the ribosomal proteins uL24 and uL4. This RNA fragment has been prepared in a dumbbell configuration and force versus displacement measurements have been performed using a dual optical trap. From these measurements, a map summarizing the mechanical stability of the RNA fragment has been determined.The maps obtained in absence and in presence of the ribosomal proteins uL24 and/or uL4 have been compared consequently demonstrating mechanical stabilization of the RNA fragment induced by the binding of uL24 and/or uL4. Moreover, their binding is cooperative and when both are present, the mechanical stabilization of the RNA fragment is enhanced.These results are discussed to specify the role of the RNA fragment and proteins uL24 and uL4 in the large ribosomal subunit assembly.

La miniaturisation des systèmes de piégeage optique permet la manipulation et l’analyse d’objets de taille nano et micrométrique. Ces objets peuvent être inertes (billes de silice ou de polystyrène, nanotubes de carbones) ou biologiques (virus, bactéries, cellules). Les dispositifs de piégeage intégrés sur puces présentent l’avantage de manipuler des objets uniques de manière réversible et à très faible puissance. Cela en fait des systèmes très adaptés à l’étude des objets biologiques, souvent plus fragiles et traditionnellement étudiés à l’échelle de la population dans les méthodes de microbiologie. Ces travaux de thèse portent sur l’étude de différentes bactéries piégées sur cristaux photoniques 1D et 2D. Nous y démontrons tout d’abord le piégeage de sept espèces bactériennes : E. coli, B. subtilis, S. epidermidis, Y. ruckeri, N. sicca, P. putida et L. innocua. . Nous y décrivons les méthodes de caractérisation spatiale et temporelle développées pour extraire de l’information de ce piégeage sur la taille, la forme, le déplacement et la structure membranaire des bactéries. Un dispositif de piégeage à deux lasers a également été implémenté pour permettre l’analyse fine de l’état d’une bactérie E. coli soumise à un stress thermique. Ces résultats s’inscrivent dans une problématique de diagnostic bactérien, très sensible depuis quelques années avec l’augmentation de la résistance des bactéries aux antibiotiques. Si aucun changement n’intervient, il est prédit que les infections bactériennes constitueront la première cause de mortalité des pays développés d’ici 2050. Il est donc nécessaire d’élaborer de nouveaux outils de diagnostic plus rapides et plus accessibles afin de limiter la distribution abusive d’antibiotiques qui entraine ce phénomène de résistance Nous proposons également en dernière partie de ce manuscrit des solutions pour intégrer notre dispositif de piégeage en vue d’ouvrir la voie à de nouvelles applications dans des environnements pathogènes. / The miniaturisation of optical trapping systems allows the manipulation and analysis of nano and micron sized objects. These objects can be inert (silica or polystyrene beads, carbon nanotubes) or biological (viruses, bacteria, cells). Integrated trapping devices on chips have the advantage of handling single objects reversibly and at very low power. This makes them very suitable for the study of biological objects, often more fragile and traditionally studied at the population level in microbiology methods. This work deals with the study of different bacteria trapped on 1D and 2D photonic crystals. We first demonstrate the trapping of seven bacterial species: E. coli, B. subtilis, S. epidermidis, Y. ruckeri, N. sicca, P. putida and L. innocua. . We describe a spatial and temporal characterisation methods developed to extract information from this trapping on the size, shape, motility and membrane structure of bacteria. A trapping device with two lasers has also been implemented to allow the fine analysis of the state of an E. coli bacterium subjected to heat stress. These results falls within the issue of bacterial diagnosis, very sensitive in recent years with the increase of the resistance of bacteria to antibiotics. If no change occurs, it is predicted that bacterial infections will be the main cause of death in developed countries by 2050. It is therefore necessary to develop new, faster and more accessible diagnostic tools to limit the large distribution of antibiotics leading to this phenomenon of antibioresistance. We also propose in the last part of this manuscript solutions to integrate our trapping device in order to pave the way for new applications in pathogenic environments.

Ce manuscrit présente le rayonnement de second harmonique provenant de plusieurs milieux diélectriques allant de la réponse interfaciale à la réponse volumique. Ce travail de thèse constitue une première étape dans le but d'étudier une bulle de savon dans un piège optique par génération de second harmonique. Deux axes de recherche sont ainsi explorés : d'une part l'étude de la génération de second harmonique sur deux tensioactifs le TTAB et le SDS, constituants de base d'une bulle de savon, et de l'autre l'élaboration d'un nouveau dispositif expérimental permettant d'allier un piège optique à une excitation de second harmonique par un laser femtoseconde. Dans un premier temps, on explicite le montage optique reposant sur le principe d'un microscope confocal inversé et les mesures associées de la réponse harmonique d'interface air/verre et air/eau. Dans un second temps, on s'intéresse comme objet modèle, en lieu et place de la bulle, à une microparticule de silice. Ainsi, on commence par analyser sa réponse harmonique en microscopie non linéaire quand celle-ci se trouve déposée sur une matrice de verre. L'étude de cet objet met en avant l'interdépendance entre les aspects d'optique linéaire mesurés à la longueur d'onde fondamentale et l'intensité harmonique mesurée. Par la suite, cette microsphère est placée au sein du piège optique réalisé par un second faisceau. Malgré la faible taille et la symétrie de la particule diélectrique, on parvient à mettre en évidence la réponse harmonique d'une particule unique piégée. Enfin, dans une dernière partie, on s'intéresse à caractériser la génération de second harmonique pour des solutions savonneuses, première étape dans la réalisation d'une bulle. Les mesures de diffusion de second harmonique en volume pour des solutions de TTAB et SDS de diverses concentrations montrent un comportement similaire et une singularité lors du passage de la concentration micellaire critique. Lors de l'étude du signal de second harmonique à l'interface air/eau savonneuse en revanche, on mesure des comportements différents pour des tensioactifs anioniques et cationiques, provenant de la charge de surface et de l'orientation de l'eau sous-jacente / This thesis reports an experimental study of harmonic radiation from various dielectric media. We both study second harmonic generation on interfaces and hyper Rayleigh scattering in solutions. We present the first step for the realization of the following project : the study of the second harmonic generation on an optically trapped soapy bubble. To do so, two main axis of investigation are developped. Firstly, we study the harmonic response of two commonly used surfactants such as TTAB, a cationic one and SDS carrying a negative charge. This study consits of understanding the main component of a soapy bubble. We investigate how harmonic intensity is modified with an increase of soap concentration. These experiements are carried both in volume and at the air/water interface. The harmonic scattered intensity shows similar features for SDS and TTAB, as a sudden drop appearing at the critical micelar concentration. However, on the surface, the two oppositely charged surfactants give a radically different evolution of second harmonic signal versus their concentration. Indeed, the water molecules of the surroundings behaves in an opposite manner with negative or positive charged surfactants. The second axis of research that we work on in this thesis, is on a novel experimental development. We combine an optical tweezer to trap microsized particles with a femtosecond laser probe to generate the second harmonic. This is a first step in order to trap a bubble and study it with second harmonic generation. This non linear inverted confocal microscope is used to study harmonic profil of an silica bead stuck on a sample. This study gives a glance of the complexity of the correlation between linear optics effects on the laser probe beam and the created harmonic intensity. We also perform experiments on a trapped particle and we measure the harmonic response of an unique particle

Dans ce mémoire nous présentons des sources ultra-froides utilisant des condensats de Bose-Einstein pour des applications en interféromètrie et physique atomiques. Nous produisons un laser à atomes de 87 Rb par couplage optique Raman. Initialement piégés magnétiquement, les atomes sont transférés dans un état insensible aux champs magnétiques et tombent sous l'effet de la gravité. Nous montrons qu'à l'inverse d'une méthode d'extraction Radio-Fréquence l'impulsion transférée aux atomes permet de réduire la divergence et d'améliorer le profil spatial du faisceau atomique. Nous prouvons que chacun des deux faisceaux Raman peut être utilisé indépendemment pour diffracter le laser à atomes de manière efficace et cohérente en utilisant une fraction de lumière rétro-diffusée. La dynamique des lasers à atomes extraits par couplage RF est également étudiée théoriquement. Nous détaillons ensuite les améliorations apportées au dispositif expérimental permettant de condenser des atomes d'hélium métastable (4He* ). Nous décrivons l'ensemble du nouveau système laser destiné au piégeage et au ralentissement des atomes, ainsi qu'à leur transfert dans un piège dipolaire ou un réseau optique. L'ajout d'un multiplicateur d'électrons fournit une méthode de détection non-destructive en temps réel fondée sur les collisions Penning. Enfin, nous présentons un nouveau piége magnétique à grande accessibilité optique, conçu et construit pour produire un condensat d'atomes 4He* et le transférer, in-situ, dans un réseau optique à 3 dimensions.

Nous avons réalisé une expérience à l'échelle de la molécule unique pour étudier l'influence d'une force mécanique sur la transcription par l'ARN polymérase du phage T7. Cette enzyme, prototype de moteur moléculaire, est très processive et partage des homologies avec les membres de la famille Pol I incluant la transcriptase inverse du VIH 1. Une extrémité de l'ADN à transcrire est tenue par une polymérase fixée sur une surface, l'autre extrémité est attachée à une bille microscopique capturée à l'aide d'un piège optique interférométrique qui permet de mesurer la force développée durant la transcription. Des mesures de vitesse de transcription ont été réalisées dans la gamme 5-20 pN, à différentes concentrations en nucléotides (NTP). On observe que la diminution de la concentration en NTP, qui rend l'étape de liaison du nucléotide dans le site actif limitante, fait apparaître une dépendance marquée de la vitesse à la force, alors que les hautes concentrations en NTP rendent la polymérase insensible à la force. On en déduit que le mouvement d'avancée de l'enzyme le long de l'ADN est couplé à la fixation du nucléotide dans le site actif. Ainsi l'énergie d'hydrolyse n'est pas directement convertie en énergie mécanique. Les homologies entre polymérases suggèrent que ce mécanisme est également partagé, ce qui permet de proposer que pour les polymérases en général, l'étape de fixation du nucléotide dans le site actif est couplé au mouvement sur l'ADN.<br /><br />Nous avons également mené un autre type d'expérience en mesurant la force lors de l'ouverture mécanique de la double hélice d'ADN, qui a permis de déterminer la friction exercée sur l'ADN en rotation.<br /><br />La configuration d'ouverture de l'ADN a été également utilisée pour étudier l'interaction d'une protéine, EcoR V avec l'ADN. L'analyse des résultats a mis en évidence une grande variabilité dans l'énergie de dissociation, liée à des différences d'affinités entre les sites de reconnaissance spécifiques de l'enzyme.

Nous présentons dans ce manuscrit la réalisation et la caractérisation d'une double pince optique,<br />nous permettant de pratiquer des micromanipulations à l'échelle de la molécule unique sur des surfaces<br />opaques, et de mesurer des forces jusqu'à une vingtaine de piconewtons.<br />Ce montage est d'abord utilisé pour déposer sur des électrodes de mesures des molécules uniques<br />d'ADN , afin d'en explorer les propriétés de transport de charges (propriétés d'intérêts technologiques<br />dans le cadre de l'électronique moléculaire). Nous n'avons observé aucun courant dû à la présence de la<br />molécule. Nous concluons pour la résistance des brins d'ADN de 70 nm de long à une borne inférieure de<br />10^11 Ohm en solution, et de 10^13 Ohm à sec.<br />Nous présentons de plus des mesures de forces sur un système d'intérêt biologique : le dégrafage d'un<br />fragment de l'ARN ribosomique 23S de la bactérie Escherichia coli. Cette étude préliminaire nous a<br />permis d'arriver à des conclusions en accord avec d'autres expériences du même type.