Depuis la découverte de la protéine fluorescente verte (GFP) en 1962, de nombreux développements ont permis d'améliorer l'utilisation de cette protéine naturellement luminescente en tant que puissant outil permettant de suivre des protéines ou des organelles d'intérêt dans les cellules ou organismes vivants. Au début du 21ème siècle, la découverte des protéines fluorescentes photoactivables (PAFPs), notamment chez les anthozoaires, a initié une révolution dans le domaine de la technologie des FP. Certaines PAFPs sont capables d'être irréversiblement photoconverties d'une forme fluorescente verte à une forme fluorescente rouge alors que d'autres peuvent être réversiblement commutées entre des formes allumées ou éteintes, selon des longueurs d'onde d'excitation spécifiques.Ces protéines sont intensivement employées pour les techniques de microscopie optique, particulièrement en “nanoscopie”, qui permet d'atteindre une résolution optique 10 fois meilleure que la limite théorique d'Abbe. Afin de développer plus en avant ces techniques, notamment en terme de résolution temporelle, la nécessité d'obtenir des sondes fluorescentes plus lumineuses pouvant se photoconvertir ou se photocommuter efficacement est cruciale. Dans un même temps, les marqueurs fluorescents doivent généralement être monomériques et photostables. Afin de mieux comprendre les mécanismes des phototransformations des PAFPs, trois membres de la famille ont été étudiés : EosFP, Dendra2 et IrisFP. Le phénomène de photoconversion du vert au rouge, de photocommutation réversible et de photoblanchiment irréversible ont été étudiés grâce à une combinaison de cristallographie des rayons X et de microspectrophotométrie, en utilisant le laboratoire Cryobench de l'ESRF/IBS. Pris ensemble, les résultats nous ont permis de proposer un mécanisme de photoconversion pour EosFP et Dendra2 et de découvrir et caractériser IrisFP, première PAFP combinant à la fois les propriétés de photoconversion et de photocommutation. Les modifications structurales du chromophore associées à la formation d'un état radicalaire induit par les rayons X, probablement impliqué dans la voie de photoblanchiment des PAFPs, ont aussi été caracterisées.

La microscopie de super-résolution PALM (microscopie de localisation après photo-activation) est un outil performant pour l'étude des cellules à l'échelle nanométrique. Dans ses applications avancées, la microscopie PALM permet l'étude quantitative et dynamique des objets et événements biologiques. Ces applications sont cependant limitées par le comportement photophysique complexe des protéines fluorescentes photoconvertibles vert à rouge (PCFPs) utilisées comme marqueurs. En particulier, les transitions répétées et stochastiques des PCFPs entre un état sombre et un état fluorescent (scintillement) ainsi que l'incomplétude de photoconversion compliquent l'extraction d'informations quantitatives.Nos travaux combinant cristallographie aux rayons X des protéines et microscopie de localisation ont permis de mettre en évidence le rôle central d'un acide aminé conservé au sein des PCFPs, l'arginine 66, dans le contrôle du scintillement et du photoblanchiment de la forme rouge de deux PCFPs populaires: mEos2 et Dendra2.D'autre part, des résultats préliminaires suggèrent que dans leur formes vertes et dans les conditions d'illumination classiques PALM, les PCFPs entrent dans un état sombre de long temps de vie ce qui ralentit la photoconversion.Nos résultats ouvrent la porte à la conception raisonnée de nouvelles PCFPs optimisées pour les applications quantitatives et dynamiques du PALM. / Super-resolution PALM microscopy (photoactivated localization microscopy) is a powerful tool to investigate the cells with nanoscopic accuracy. Advanced PALM microscopy allows to quantitatively and dynamically study biological objects and events. These applications are nevertheless limited by the complex photophysical behavior of the green-to-red photoconvertible fluorescent proteins (PCFPs) used as markers. In particular, PCFPs red forms repeated and stochastic transitions between a fluorescent and a dark state (blinking) as well as photoconversion uncompleteness complicate the extraction of quantitative information.Our study, by combining X-ray crystallography and localization microscopy, evidences that a single aminoacid well conserved among PCFPs, the arginine 66, controls the blinking and photobleaching behavior of two popular PCFPs: mEos2 and Dendra2.Preliminary results suggest that in their green forms and under PALM classical illumination conditions, PCFPs switch to a long-lived dark state resulting in a photoconversion slowing down.Our results open the door to future rational engineering of enhanced PCFPs for quantitative and dynamic PALM.

La découverte des Protéines Fluorescentes Phototransformables (PTFPs) issuesd’espèces anthozoaires a ouvert, grâce à leurs propriétés photophysiques particulières, unvaste champ d’investigation pour l'imagerie biologique de fluorescence. L'un des sousgroupesdes PTFPs est formé des protéines fluorescentes réversiblement photocommutables(RSFPs), qui peuvent être commutées réversiblement entre des états non-fluorescent etfluorescent. Le photoblanchiment est la perte définitive d’émission de fluorescence sousexcitation et est un phénomène commun à toutes les molécules fluorescentes. Lephotoblanchiment a un impact important sur la qualité des images de microscopie, notammenten imagerie de super-résolution. Les RSFPs ont tendance à perdre de leur performance àchaque cycle de commutation, un processus dénommé “photofatigue”. Notre intérêt est centrésur l'étude des mécanismes de photofatigue des RSFPs.Nous avons rapporté les structures cristallographiques d’IrisFP photoblanchie par uneforte et une basse intensité d’illumination à température ambiante ainsi que les modificationsspectroscopiques associées. Nos résultats démontrent que différentes intensités d'excitationpeuvent donner lieu à différentes voies de photoblanchiment. Sous faible intensité d'excitation,une voie de photoblanchiment dépendante de l'oxygène a été mise en évidence. Lesmodifications structurales induites par la production d'oxygène singulet à l'intérieur de lapoche du chromophore ont révélé l'oxydation de deux résidus soufrés, Met159 et Cys171,piégeant le chromophore dans un état protoné non-fluorescent. Sous haute intensitéd'excitation, une voie de photoblanchiment oxygène-indépendante totalement différente a ététrouvée. Le Glu212, strictement conservé, subit une décarboxylation associée à un importantréarrangement du réseau de liaisons hydrogènes autour du chromophore, et un changementd’hybridation sp2 vers sp3 du carbone reliant les cycles du chromophore est observé. En tantque résidu clé impliqué dans le photoblanchiment induit par faible intensité d'excitation, nousavons muté Met159 en alanine afin d'éviter une sulfoxydation. Nous avons trouvé que lemutant IrisFP-M159A démontre une photostabilité améliorée en solution, en gel PVA et dansdes cellules E. coli. / The discovery of phototransformable FPs (PTFPs) from Anthozoa species, thanks totheir photophysical properties, has opened a large field in biological fluorescence imaging.One of the PTFPs’ sub-groups consists of Reversible Photoswitchable Fluorescent Proteins(RSFPs), which can be reversibly switched between nonfluorescent and fluorescent states.Photobleaching is the permanent loss of the fluorescence-emitting capacity under excitation,which is a common phenomenon among all the fluorescent molecules. Photobleaching has alarge impact on the microscopy image quality, notably on super-resolution imaging.Photoswitchable fluorescent proteins have a tendency to lose performance within everyswitching cycle, a process referred to as “photofatigue”. Our interest of study is focused onthe photobleaching mechanisms of RSFPs.We have reported the crystallographic structure of photobleached IrisFP under highand low illumination intensity at room temperature as well as its spectroscopic modifications.We found that different illumination intensities can result in different photobleachingpathways. Under low illumination intensity, an oxygen-dependent photobleaching pathwaywas evidenced. Structural modifications induced by singlet-oxygen production within thechromophore pocket revealed the oxidation of two sulfur-containing residues, Met159 andCys171, locking the chromophore in a nonfluorescent protonated state. Under highillumination intensity, a completely different, oxygen-independent photobleaching pathwaywas found. The conserved Glu212 underwent decarboxylation concomitantly with anextensive rearrangement of the H-bond network around the chromophore, and an sp2-to-sp3hybridization change of the carbon atom bridging the chromophore cyclic moieties wasobserved. As Met159 is the key residue involved in low-intensity illumination photobleaching,we have then mutated Met159 into Alanine in order to avoid sulfoxidation. We found that theIrisFP-M159A mutant display an enhanced photostability in solution, in PVA gel and inE.coli cells.

Le monitoring des écosystèmes terrestres nécessite une connaissance approfondie des interactions entre microorganismes, minéraux et métaux dans les sols. Afin d'évaluer in vivo la disponibilité de métaux tel que le fer dans des systèmes bactéries-minéraux, une approche basée sur l’utilisation de biosenseurs bactériens fluorescents et d’une analyse spectroscopique non-invasive a été explorée. Ce travail a notamment conduit à la construction chez Pseudomonas aeruginosa de fusions génétiques couplant des promoteurs régulés par le fer à des rapporteurs fluorescents multicolores. Les souches obtenues ont été utilisées comme senseur de la disponibilité du fer constitutif de différents minéraux (Nontronites). La réponse de ces biosenseurs bactériens a été étudiée en couplant la spectroscopie de fluorescence à balayage synchrone (SFS) à la décomposition canonique polyadique Candecomp / Parafac (CP). Avec des plans d’expérience privilégiant la diversité des réponses, le couplage SFS-CP garantit une estimation conjointe et rapide de l’expression de plusieurs promoteurs d’intérêts, y compris dans des milieux auto-fluorescents. Cette méthode originale permet, entre autres, de s’affranchir des problèmes liés aux recouvrements spectraux des protéines fluorescentes et fournit une estimation robuste et précise de la réponse des biosenseurs. Appliquée à d’autres plans d’expériences, elle démontre également que la bio-dissolution des nontronites par P. aeruginosa est assurée par la production de sidérophores et contrôlée par la cristallochimie des feuillets des smectites, notamment par la distribution des atomes de fer(III) entre les tétraèdres et les octaèdres / Monitoring terrestrial ecosystems requires a better understanding of the interactions between microorganisms, minerals and metals in the environment. To assess in vivo availability of metals such as iron in bacteria-mineral system, an approach based on whole-cell fluorescent biosensors and non-invasive spectroscopy was explored. This work led to the construction in Pseudomonas aeruginosa of a set of gene fusions coupling iron-regulated promoters to multicolour fluorescent reporters. The recombinant strains were used as sensors of structural iron availability in nontronites NAu-1 and NAu-2. The response of these biosensors was studied by coupling synchronous fluorescence spectroscopy (SFS) with canonical polyadic Candecomp/Parafac (CP) decomposition. On the basis of experimental designs favouring response diversity, the coupled SFS-CP method guarantees a joint estimate of gene expression from multiple promoters, even in highly fluorescent media. This novel method can solve the issue of spectral bleed-through of fluorescent proteins and provides a means to integrate multiple signals from combinations of whole-cell fluorescent bioreporters. In addition, we could show using SFS-CP that P. aeruginosa indirectly mobilize Fe(III) from nontronites primarily through the production of pyoverdine siderophore. The structural Fe(III) present on the edges of NAu-2 rather than NAu-1 particles appears to be more bioaccessible, suggesting that the distribution of Fe, in the tetrahedron and/or in the octahedron sites, governs the solubilization process

Les protéines kinases A (PKA) sont des enzymes qui catalysent la phosphorylation de résidus sérine ou thréonine. L’activité des PKA peut être mesurée in cellulo grâce aux biosenseurs AKAR (A-Kinase Activity Reporter). AKAR est composé de 4 modules: la séquence substrat des PKA, un domaine de liaison aux acides aminés, et 2 protéines fluorescentes pouvant interagir par FRET (Förster Resonant Energy Transfer). La phosphorylation de la séquence consensus par la PKA et l’interaction de l’acide aminé phosphorylé avec le module senseur provoque une modification de la conformation d’AKAR et une augmentation du FRET entre les 2 protéines fluorescentes.L’objectif initial de ce travail était de produire un biosenseur AKAR basé sur un nouveau couple de protéines fluorescentes plus performantes, et insensibles au pH. Ce biosenseur devant à terme être utilisable en imagerie ratiométrique, et en FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy). Ainsi nous avons mis au point une nouvelle version d’AKAR: AqAKARCit. Cette version exploite la protéine Aquamarine, l'une des meilleures protéines cyan disponibles aujourd'hui, avec un rendement quantique de 89%, un déclin de fluorescence mono-exponentiel, et une insensibilité au pH dans tout le domaine physiologique. Les résultats obtenus en FLIM avec cet AqAKARCit ont permis des améliorations notables en stabilité et sensibilité.Une version baptisée AqAKARTagRFP a été construite, dans laquelle l’accepteur est une protéine fluorescente orange permettant une meilleure séparation spectrale entre donneur et accepteur et insensible aux variations de pH. Les étapes de caractérisations de AqAKARTagRFP ont été accomplies en FLIM, et en ratiométrie. AqAKARTagRFP permet d'obtenir de bonnes réponses en FRET par ratiométrie, mais reste difficilement utilisable en FLIM en raison d'une dynamique de réponse limitée. La sensibilité du biosenseur a été améliorée par une modification de l'ancrage de l'Aquamarine. Les modifications apportées à cette version nommée AqEAKARTagRFP la place au niveau des biosenseurs AKAR les plus performants actuellement disponibles.Les mesures de sensibilité au pH d’ AqEAKARTagRFP réalisées en FLIM ont révélé une insensibilité au pH du biosenseur sur une étendue de pH jamais atteinte jusqu’à présent. Cependant, en ratiométrie, on note malgré tout une sensibilité détectable aux pHs fortement acides (pH ≤ 6), ce qui ne permettra pas de l'utiliser pour l'imagerie ratiométrique de compartiments cellulaires acides. Un contrôle négatif non phosphorylable AqEAKARmutTagRFP a été étudié. Ce contrôle présente les mêmes variations de signal en réponse à des changements imposés de pH intracellulaire, révélant que ces variations sont indépendantes de l’activité PKA.L'étude de tandems CFP-Cit et Aq-Cit dépourvus de la partie senseur nous à permis d'analyser le comportement de FRET des couples cyan/jaune en fonction du pH. Un modèle décrivant ce comportement a été créé et appliqué à AKAR.Les expériences complémentaires faites sur CFPAKARCit sont en accord avec nos simulations mais la construction AqAKARCit révèle du FRET résiduel à pH acide que notre modèle numérique ne prévoit pas. Une sensibilité aux pH acides de la partie senseur d’AKAR qui provoquerait un changement de conformation du biosenseur et une augmentation de FRET pourrait expliquer ce phénomène.Ce travail de thèse a permis la mise au point d’un nouveau couple de protéines fluorescentes par le FRET insensibles au pH. Ce couple va permettre une meilleure caractérisation des sensibilités des biosenseurs existants comme nous l’avons montré avec AKAR. Ce couple de protéines fluorescentes pourra également être utilisé dans des compartiments cellulaires acides, par exemple pour étudier des interactions protéine/protéine. Enfin, grâce à une meilleure séparation spectrale en excitation et en émission, ce couple peut être utilisé dans des applications plus exigeantes comme la microscopie biphotonique. / Protein kinase A (PKA) are enzymes which catalyze the phosphorylation of serine or threonine residues. The activity of PKA can be measured in cellulo through AKAR biosensors (A-Kinase Activity Reporter). AKAR consists of 4 modules: the PKA substrate sequence, a phospho-amino binding domain, and two fluorescent proteins that can interact by FRET (Förster Resonant Energy Transfer). After action of the PKA, the interaction between the phophorylated amino acid and the phospho-amino binding domain causes a change in the conformation of AKAR and an increase in FRET between the two fluorescent proteins.The initial objective of this work was to produce an AKAR biosensor based on a new pair of improved fluorescent proteins, and insensitive to pH. This biosensor to eventually be used in ratiometric imaging and FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy). So we developed a new version of AKAR: AqAKARCit. This version uses the Aquamarine protein, one of the best cyan proteins available today, with a quantum yield of 89%, a near mono-exponential fluorescence decay, and insensitive to pH throughout the physiological range. The results obtained with this AqAKARCit allowed significant improvements in stability and sensitivity.A version called AqAKARTagRFP was built, in which the acceptor is an orange fluorescent protein allowing better spectral separation between donor and acceptor and insensitive to pH variations. The characterization of AqAKARTagRFP was performed in FLIM, and ratiometry. AqAKARTagRFP provides good answers in FRET by ratiometry but remains difficult to use in FLIM due to limited dynamic responses. The sensitivity of the biosensor has been improved by modification of the anchoring of Aquamarine. Changes to this version named AqEAKARTagRFP place it at the most efficient AKAR biosensors currently available.The pH-responsive measures of AqEAKARTagRFP made in FLIM showed insensitivity to pH on a range never reached so far. However, in ratiometry, there is still a detectable sensitivity to highly acidic pHs (pH ≤ 6), which will not allow to use it for ratiometric imaging of cellular acidic compartments. A negative unphosphorylatable control AqEAKARmutTagRFP was studied. This control presents the same signal variations in response to changes imposed on intracellular pH, revealing that these variations are independent of PKA activity.The study of the CFP-Cit and Aq-Cit tandems devoid of the sensor part allowed us to analyze the behavior of cyan / yellow FRET pairs regarding the pH. A model describing this behavior was created and applied to AKAR. Additional experiments on CFPAKARCit are in agreement with our simulations but AqAKARCit reveals residual FRET at acidic pHs that our numerical model does not predict. A sensitivity to acidic pH of the sensor module of AKAR which would cause a conformational change in the biosensor and an increase in FRET could explain this phenomenon.This thesis has allowed the development of a new pair of fluorescent proteins for FRET imaging insensitive to pH. This couple will allow better characterization of existing biosensors sensibilities as we have shown with AKAR. This pair of fluorescent proteins may also be used in acidic cellular compartments, for example to study protein / protein interactions. Finally, through improved spectral separation in excitation and in emission, this pair can be used in more demanding applications such as biphoton microscopy.

Les processus réactionnels des systèmes biologiques sont désormais modélisés par des méthodes de plus en plus précises de mécanique quantique (MQ) associées aux champs de force de mécanique moléculaire (MM). Cette amélioration induit des complications dans le traitement habituel des interactions électrostatiques MQ/MM. Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une approche plus cohérente pour le calcul de ces interactions. Dans une seconde partie, nous avons appliqué certaines méthodes de simulation numérique aux protéines fluorescentes. Une étude de dynamique moléculaire a révélé de fines interactions de van der Waals qui conditionnent l'amélioration des propriétés de fluorescence dans la Cerulean par rapport à l'ECFP (Enhanced Cyan Fluorescent Protein). Nous avons également étudié le mécanisme de photoconversion de la protéine fluorescente EosFP par l'utilisation de potentiels MQ/MM appropriés au traitement des états excités. Finalement, la stabilité thermodynamique des différents états structuraux de la protéine IrisFP a été évaluée. Ces études de modélisation moléculaire améliorent notre compréhension des protéines fluorescentes afin de contribuer à leur développement pour l'imagerie cellulaire.

Les protéines fluorescentes, comme la GFP (green fluorescent protein), sont des protéines naturellement fluorescentes qui sont utilisées pour leur rôle de marqueur, permettant de localiser des protéines dans les cellules et d'en suivre les déplacements. De nombreuses études expérimentales et théoriques ont été menées ces dix dernières années sur les protéines fluorescentes. De là, se forge une compréhension essentiellement qualitative du rôle de la protéine vis-à-vis de l'obtention ou non d'une émission radiative : il apparaît que la protéine permet la fluorescence en bloquant les processus qui la désactivent ; ces processus de désactivation sont très rapides et efficaces (à l'échelle de la picoseconde) dans le cas du chromophore seul, et ils sont bien identifiés comme étant des torsions autour des liaisons intercycles (tau et phi). Dans la protéine, la sensibilité des temps de vie de fluorescence à des mutations proches ou non du chromophore, à des modifications de pH ou de température laisse supposer un contrôle de la dynamique du chromophore par différents paramètres, sans qu'ils soient pour autant identifiés et mis en relation.Une étude de la dynamique de la protéine permettrait de faire la lumière sur les mécanismes responsables de ces phénomènes photophysiques pour lesquels une analyse structurale ne suffit pas. Cependant l'étude de la dynamique est limitée par la taille du système (>30 000 atomes), par l'échelle de temps des phénomènes photophysiques considérés (dizaine de nanosecondes) et par le fait que les deux torsions tau et phi sont fortement couplées dans l'état excité du chromophore. Ces trois facteurs excluent les méthodes de dynamique existantes aujourd'hui ; dynamique quantique (AIMD), dynamique mixte classique-quantique (QM/MD) et dynamique moléculaire classique (MD).Nous avons surmonté le problème par la modélisation de la surface d'énergie potentielle de torsion du chromophore à l'état excité basée sur des calculs quantiques de haute précision, par une interpolation des valeurs obtenues par une expression analytique appropriée en fonction des angles de torsion tau et phi et avec une précision suffisante pour reproduire des barrières de l'ordre de la kcal/mol, et enfin, par l'implémentation de cette expression analytique dans le programme parallèle AMBER. Une deuxième difficulté théorique concerne la simulation et l'analyse statistique d'événements peu fréquents à l'échelle de la nanoseconde, et dont on ne connait pas le chemin de réaction, ici les déformations de la protéine et du chromophore conduisant aux géométries favorables à la conversion interne. Grâce à ces développements et aux simulations qu'ils ont permises, nous avons réalisé la première modélisation de la désactivation non-radiative par conversion interne à l'échelle de la nanoseconde dans trois protéines fluorescentes différentes. L'analyse des dynamiques moléculaires classiques nous donne une évaluation quantitative des temps de vie de l'extinction de fluorescence, en accord avec les données expérimentales. Par ailleurs elle nous a permis d'identifier les mouvements moléculaires concertés de la protéine et du chromophore conduisant à cette extinction. De ces résultats, émerge une représentation plus complète du mécanisme qui libère la torsion du chromophore ou qui la déclenche : il peut venir d'un mouvement spécifique de la protéine, qui se produit à l'échelle de la nanoseconde, ou bien de plusieurs mouvements spécifiques, plus fréquents (rupture de liaisons hydrogène, rotation de chaînes latérales, dynamique d'agrégats d'eau), mais qui coïncident seulement à l'échelle de la nanoseconde. Ces mouvements spécifiques n'ont pas un coût énergétique important mais la nécessité de leur coïncidence crée un délai de l'ordre de quelques nanosecondes alors que dans le vide la torsion se produit en quelques picosecondes. Dans le cas des protéines étudiées, on a identifié en grande partie les mécanismes et les acides aminés qui sont impliqués.

La propriété d'être réversiblement commutable de certaines protéines fluorescenteshomologues à la GFP ouvre un vaste champ d'applications possibles: notamment le biostockagede données à haute densité et la microscopie à super résolution. Parmi ces protéines,on trouve plusieurs variantes de la GFP, notamment la protéine jaune YFP, et des protéinesfluorescentes issues d'espèces marines Anthozoaires, comme Dronpa ou Padron. Plusieursétudes structurales indiquent que ces protéines fluorescentes photochromiques commutent parisomérisation et protonation couplées du chromophore. Cependant, la synchronisation entreces deux événements, le détail des mécanismes de photo-commutation, et le rôle de ladynamique conformationelle restent incomplètement compris. Par l'utilisation combinée de lacristallographie cinétique et de la spectroscopie optique in cristallo à basse température, nousavons comparé le comportement des protéines YFP, Dronpa et IrisFP, et nous avons étudié endétail le mécanisme photo-physique de commutation chez la protéine Padron. Contrairement àDronpa et IrisFP, la photo-commutation d'YFP est plus efficace à basse température qu'àtempérature ambiante. Nos résultats suggèrent que le mécanisme de commutation d'YFPn'implique pas de changement conformationel majeur, mais plutôt une protonation photoinduitedu chromophore ne nécessitant pas d'isomérisation. Au contraire, les études réaliséessur la protéine Padron nous ont permis de montrer que, dans ce cas, l'isomérisation duchromophore peut se produire indépendamment de sa protonation, et, étonnamment, àtempérature cryogénique. De plus, deux états intermédiaires ont pu être caractérisés au coursdu processus de photo-commutation. La protéine Padron a permis de mettre à jour le premiermarqueur codable génétiquement qui soit efficacement photo-commutable à températurecryogénique.

La propriété d’être réversiblement commutable de certaines protéines fluorescenteshomologues à la GFP ouvre un vaste champ d’applications possibles: notamment le biostockagede données à haute densité et la microscopie à super résolution. Parmi ces protéines,on trouve plusieurs variantes de la GFP, notamment la protéine jaune YFP, et des protéinesfluorescentes issues d'espèces marines Anthozoaires, comme Dronpa ou Padron. Plusieursétudes structurales indiquent que ces protéines fluorescentes photochromiques commutent parisomérisation et protonation couplées du chromophore. Cependant, la synchronisation entreces deux événements, le détail des mécanismes de photo-commutation, et le rôle de ladynamique conformationelle restent incomplètement compris. Par l'utilisation combinée de lacristallographie cinétique et de la spectroscopie optique in cristallo à basse température, nousavons comparé le comportement des protéines YFP, Dronpa et IrisFP, et nous avons étudié endétail le mécanisme photo-physique de commutation chez la protéine Padron. Contrairement àDronpa et IrisFP, la photo-commutation d’YFP est plus efficace à basse température qu’àtempérature ambiante. Nos résultats suggèrent que le mécanisme de commutation d’YFPn'implique pas de changement conformationel majeur, mais plutôt une protonation photoinduitedu chromophore ne nécessitant pas d'isomérisation. Au contraire, les études réaliséessur la protéine Padron nous ont permis de montrer que, dans ce cas, l’isomérisation duchromophore peut se produire indépendamment de sa protonation, et, étonnamment, àtempérature cryogénique. De plus, deux états intermédiaires ont pu être caractérisés au coursdu processus de photo-commutation. La protéine Padron a permis de mettre à jour le premiermarqueur codable génétiquement qui soit efficacement photo-commutable à températurecryogénique. / The property to be reversible switchable of some homologues fluorescents protein ofGFP open a large field for possible applications: such as, high-density data bio-storage andsuper-resolution microscopy. Between these proteins, we find several variants of GFP, such asyellow fluorescent protein, YFP, and fluorescents protein from marine Anthozoary species, asDronpa or Padron. Several structural studies suggest that these fluorescent proteins switch viaisomerization coupled with the protonation of the chromophore. However, thesynchronization between these processes, the detail about the photo-switching mechanism,and the role of conformational dynamics remains unclear. In combination of the kineticcrystallography and the optic spectroscopy in cristallo at low temperature, we have comparedthe YFP behavior, Dronpa and IrisFP, and we have studied in detail the photo-physicmechanism of Padron switching. In contrast to Dronpa and IrisFP, the YFP photoswitching ismore efficient at low temperature than at room temperature. Our results suggest that theYFPswitching is not associated to large structural rearrangements, but mostly a photo-inducedprotonation of the chromophore without isomerization. On the contrary, the studies done withPadron allowed us to show, in this case, the chromophore isomerization can be producedindependently of the protonation, at cryo-temperatures. Moreover, two intermediate stateswere revealed in the photo-pathway. Padron fluorescent protein allows to advance the firstgenetically inserted dye, being photo-switchable at cryogenic temperature

Durant ce travail, deux approches ont été explorées. <br /> Dans la première, j'ai quantifié le dégonflement osmotique de liposomes remplis d'un gel d'agarose. La fabrication de tels systèmes reconstitués vise à permettre de mimer le comportement de cellules soumises aux mêmes contraintes. En particulier, j'ai observé que ces liposomes fonctionnalisés acquièrent des morphologies crénelées lors de leur dégonflement pour une concentration du gel comprise entre 0.07 et 0.18 % en masse. Ces formes originales ressemblent à celles d'échinocytes parfois prises par les globules rouges. Le gel est responsable de l'apparition de ces formes, ne modifie pas les cinétiques de dégonflement mais sa pression élastique arrête précocement le dégonflement comparativement aux liposomes aqueux, mettant en évidence un phénomène de rétention d'eau.<br /> Dans la deuxième approche, j'ai étudié l'effet de contraintes hydrodynamiques sur des amibes Dictyostelium adhérentes à un substrat et ai quantifié la réorganisation mécanosensible du cytosquelette de ces cellules vivantes. Pour obtenir les cinétiques de relocalisation de protéines majeures du cytosquelette en réponse aux forces d'un flux, j'ai marqué l'actine et la myosine-II avec des protéines fluorescentes et ai fabriqué une chambre à flux permettant de changer rapidement la direction du flux. J'ai montré que les cellules s'orientent contre les forces du flux et se réorientent contre en inversant leur polarité après une inversion du flux : d'abord l'actine dépolymérise puis des protrusions sont émises contre les nouvelles forces mécaniques, et 15 sec plus tard, l'arrière rétracte en utilisant la myo-II. De plus, la contractilité du système actine-myosine n'est pas nécessaire pour sentir les forces. Des expériences similaires en inversant la direction d'un gradient de chimioattractants montrent que ce processus de réorientation cellulaire n'est pas spécifique d'expériences sous flux. Ce travail met en évidence l'existence d'un signal inhibiteur rapide menant à la dépolymérisation de l'actine, signal qui n'est pas pris en compte dans les modèles actuels expliquant la réponse chimiotactique. Enfin, les outils de visualisation que j'ai développés permettent d'étudier le rôle de protéines et de structures cellulaires dans la mécanotransduction.