Th. 3e cycle--Instrumentation et mes.--Bordeaux 1, 1983. N°: 1864.

La structure de trois oxydoréductases (la glutathion peroxydase (Gpx), la thiorédoxine (Trx) et la glutarédoxine (Grx)) de Populus trichocarpa × deltoides (le peuplier) a été caractérisée par diffraction des rayons X. Les Gpxs forment un groupe d’enzymes qui régulent la concentration des espèces réactives de l'oxygène (ROS) dans les cellules, et qui les protègent des effets d’un stress oxydant. Contrairement à leurs homologues d’origine animale, les Gpxs végétales ne dépendent pas du glutathion (GSH) mais des Trx pour leur fonctionnement. Dans cette étude, j'ai résolu les structures des formes réduite et oxydée de la Gpx5 de peuplier et montré que des changements conformationnels drastiques sont nécessaires pour passer d’une forme à l’autre. Les Trxs régulent diverses protéines cibles par la réduction de leur pont disulfure. Mon objectif était de comprendre le mécanisme catalytique d’une nouvelle isoforme, la PtTrxh4, dont la capacité à accepter des électrons de la Grx a été récemment démontrée. Cette PtTrxh4 contient trois cystéines, la première localisée dans une extension en position N-terminale (Cys4) et deux situées dans le site actif classique (WC1GPC2) de la Trx. Les résolutions des structures de l’enzyme sauvage et du mutant C4S m’ont permis de proposer un mécanisme catalytique en quatre étapes en accord avec les études enzymatiques. Les Grxs sont des protéines qui utilisent des électrons du GSH en particulier pour catalyser des réactions d'échange de thiol-disulfure. Ici, je présente la structure de la PtGrxS12 (en complexe avec le GSH), la première structure de la Grx végétale de sous-classe 1 ayant un site actif de motif atypique 28WCSYS32. / Three oxidoreductases (glutathione peroxidase, GPX; thioredoxin, Trx and glutaredoxin, Grx) from Populus trichocarpa × deltoides (poplar tree) were characterized using X-ray crystallography approach. GPXs are a group of enzymes that regulate the levels of oxygen species in cells, and protect them against oxidative damage. In this study, I have determined the crystal structures of the reduced and oxidized form of poplar GPX5 (PtGPX5). Comparison of both redox structures indicates that a drastic conformational change is necessary to bring the two distant cysteine residues together to form an intramolecular disulfide bond. Trxs regulate various protein partners through the thiol-disulfide(s) reduction. The aim of this study is thus to precisely describe the catalytic mechanism of a new isoform of Trx, PtTrxh4, since it has been demonstrated recently to be reduced by Grx. PtTrxh4 contains three cysteines; one localized in an N-terminal extension (Cys4) and two in the usual Trx active site (WC1GPC2). Two crystal structures of PtTrxh4 solved in this study, wild-type and C61S mutant, allow us to propose a four-step disulfide cascade catalytic mechanism in accordance with enzymatic studies. Grxs are highly conserved redox-proteins that utilize electrons from GSH particularly to catalyze thiol-disulfide exchange reactions. Here, I present the structure of glutathionylated PtGrxS12, the first structure of plant Grx of subclass 1 with an atypical 28WCSYS32 active site. Protein structures solved here shed lights to our understanding of the redox mechanism in plant and to the enzyme-substrate interactions.

Tous les cristallins des vertébrés sont transparents et ont un pouvoir de réfraction. Ceci est dû à l'arrangement régulier de cellules et à l'expression différentielle de protéines spécifiques, les cristallines. L'indice de réfraction croissant du cortex vers la région nucléaire est associé à l'augmentation de la concentration en cristallines. La région nucléaire, où l'indice de réfraction est le plus haut, est enrichie en γ-cristallines, une famille de polypeptides monomériques synthétisés principalement pendant le développement précoce, qui jouent un rôle important en formant un ensemble de protéines très dense. Cependant, cette concentration élevée est près d'un point critique où les protéines très solubles subissent une séparation de phase, conduite par une concurrence de forces d'interactions protéine-eau, eau-eau et protéine-protéine. Cette séparation de phase est cruciale dans l'opacification des cellules du cristallin trouvée dans certaines formes de cataracte mammifère. Une étude de diffraction de neutrons à haute résolution peut compléter les données existantes aux rayons X et peut nous permettre de faire une analyse détaillée et complète de l'organisation du solvant autour de la γcristalline. Ceci fournira une base structurale pour étudier les interactions protéine-solvant, solvant-solvant et protéine-protéine. Cette étude peut être considérablement facilitée par l'utilisation de la protéine entièrement deutériée. La substitution du deutérium à l'hydrogène réduit le bruit de fond incohérent causé par les hydrogènes, renforçant alors le rapport signal sur bruit. L'échange de l'hydrogène par le deutérium peut être fait en trempant le cristal de protéine dans une solution deutériée mais seulement 25% de hydrogènes totaux de la protéine sont alors échangés. Un échange total peut être uniquement effectué par une biosynthèse protéique in vivo, en utilisant une culture bactérienne dans un milieu deuterié. La γE cristalline de rat a été choisie comme un système modèle pour localiser les atomes d'hydrogène des molécules d'eau entourant la protéine et ceux impliqués dans des intéractions stabilisantes. De grandes quantités de protéines hydrogénées et perdeutériées ont été exprimées dans Escherichia coli, qui a poussé dans un milieu minimal, et elles ont ensuite été purifiées. Par spectrométrie de masse, le niveau de substitution isotopique des hydrogènes non échangeables dans la protéine s'est avéré être de 98%. En l'absence d'activité biochimique connue, les γE cristallines hydrogénées et deutériées ont été caractérisées par gel natif, par détermination du point isoélectrique et par des protéolyses limitées. Il n'y a aucune différence biochimique évidente entre ces formes de la protéine. D'autres caractérisations, par spectroscopie infrarouge et en dichroïsme circulaire, ont été employées pour étudier des différences significatives, mais aucune n'a été décelée. Les protéines hydrogénées et deutériées ont été cristallisées dans des tampons hydrogénés et deutériés. Les conditions de cristallisation, les groupes de l'espace et les paramètres de maille se sont avérés être les mêmes pour toutes les formes de la protéine. La comparaison de ces quatre formes de γE cristalline n'a indiqué aucune différence structurale évidente entre elles à une résolution atomique aux alentours de 1,4Å. Cependant, la variation de facteur d'agitation thermique des structures à une résolution identique (HγEh2o, HγEd2o et DγEh2o) dépend du marquage d'isotopique. Les structures de la protéine deutériée en H2O ou celle hydrogénée avec un tampon D2O ont un facteur d'agitation thermique plus bas. Par la suite, le modèle moléculaire de la γE cristalline a été obtenu à 1,36Å et quelques nouveaux détails étonnants de la protéine et du réseau de molécule d'eau entourant la protéine sont décrits dans ce rapport. Jusqu'à l'amélioration de la taille des cristaux, toute collecte de données par diffraction de neutrons ne peut pas être envisagée, mais d'une manière globale, nous avons prouvé que la perdeutériation n'induisait pas de changement structural de la protéine.

Une nouvelle technique qui localise et identifie les éléments fluorescents dans un échantillon a été développé. Cette modalité d'imagerie pratique utilise une source de rayons X poly-chromatique pour irradier l'échantillon et favoriser l'émission de fluorescence. De nombreux facteurs qui affectent l'ensemble du système comme l'atténuation, l'auto-absorption de l'échantillon, la probabilité de fluorescence et la diffusion Compton ont été pris en compte. Ensuite, un système de détection efficace a été établi pour acquérir les données de fluorescence optimales et discriminer entre les éléments en fonction de leur fluorescence caractéristiques. Ce dispositif, couplé avec une technique de reconstruction d'image approprié conduit à une image détaillée à deux dimensions. Par rapport aux techniques classiques de reconstruction d'image, la méthode de reconstruction développée est une technique statistique qui a une convergence appropriée vers une image avec une résolution acceptable. En outre, c'est une technique simplifiée qui permet l'imagerie de nombreuses applications différentes. / A new technique that localizes and identifies fluorescing elements in a sample wasdeveloped. This practical imaging modality employs a polychromatic X-ray source toirradiate the sample and prompts the fluorescence emission. Many factors affecting thewhole system like attenuation, sample self-absorption, probability of fluorescence andCompton scattering were taken into account. Then, an effective detection system wasestablished to acquire the optimum fluorescence data and discriminate betweenelements depending on their characteristic fluorescence. This set-up, coupled with anappropriate image reconstruction technique leads to a detailed two-dimensional image.Compared to the conventional image reconstruction techniques, the developedreconstruction method is a statistical technique and has an appropriate convergencetoward an image with acceptable resolution. Moreover, it is a simplified technique thatallows the imaging of many different applications.

Depuis la découverte des rayons X par Röntgen, l'imagerie radiographique utilise le contraste d'absorption. Cette technique est e fficace uniquement si les objets à étudier sont suffi samment absorbants. C'est pour cela qu'on peut détecter une lésion osseuse avec une radiographie, mais pas une lésion ligamentaire. Toutefois, l'imagerie par contraste de phase peut permettre de surmonter cette limite. Depuis les années 2000, s'appuyant sur des travaux similaires en optique visible, les scientifi ques des rayons X essayent de mettre au point des dispositifs sensibles au contraste de phase et compatibles avec des applications industrielles comme l'imagerie médicale ou le contrôle non destructif. Néanmoins, les architectures classiques des interféromètres sont très diffi ciles à mettre en place dans les rayons X durs, et sont trop contraignantes pour être transférables vers l'industrie. C'est pourquoi des dispositifs utilisant des réseaux de diff raction ont été les plus développés. Ils ont permis d'obtenir les premières images de radiographie par contraste de phase sur des humains vivants. Mais les architectures proposées aujourd'hui utilisent plusieurs réseaux et son contraignantes pour les industriels. C'est pourquoi j'ai développé au cours de ma thèse un système n'utilisant qu'un unique réseau de phase. J'ai montré qu'un tel dispositif peut générer des interférogrammes achromatiques et invariants par propagation. Ce dispositif a permis d'effectuer des mesures de contraste de phase quantitatives sur un fossile biologique, ainsi que des mesures métrologiques sur des miroirs plans adaptés aux rayons X.

Les chercheurs savent depuis longtemps que la supraconductivité est engendrée par le couplage de paires d’électrons, appelées paires de Cooper. Par contre, l’origine de l’inter-action conduisant à l’attraction effective entre les électrons formant les paires demeure mal comprise pour certains matériaux découverts durant les trente dernières années. Dans ce mémoire, la supraconductivité a été induite dans des cuprates dopés aux électrons faisant partie de la famille des infinite-layers (IL), ayant la forme Sr[indice inférieur 1−x]Nd[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 2]. Les IL ne peuvent être déposés en couches minces par la technique d’ablation laser que depuis très récemment. L’étude systématique de ces composés reste donc entièrement à accomplir. Les IL ont également une structure cristalline extrêmement simplifiée qui facilite l’interprétation des phénomènes physiques mesurés en laboratoire. L’étude des IL est un véritable tour de force. Plusieurs groupes de recherche dans le monde tentent de les synthétiser en couches minces avec beaucoup de difficulté. Ces matériaux sont métastables et d’une sensibilité déconcertante. Obtenir des couches minces exemptes de phases parasites est un travail de longue haleine. Ce défi a non-seulement été relevé, mais il a été possible de réaliser de la microfabrication sur les couches minces crues, rendant toute caractérisation des propriétés de transport beaucoup plus précise. L’ablation laser pulsée est la technique qui a été utilisée pour faire la croissance des couches minces étudiées. La diffraction des rayons-X a permis l’identification des phases de la structure cristalline, mais surtout l’étude des propriétés structurales des couches minces déposées. Une analyse des paramètres en plan (a) et hors plan (c) de la cellule unité de ces couches minces en fonction des conditions de croissance s’est avérée essentielle. Il a été remarqué que le paramètre hors plan joue un rôle limitant dans l’émergence de la supraconductivité. Des mesures de résistivité à très basses températures et sous champs magnétiques intenses ont permis d’établir un lien entre l’apparition de la supraconductivité et la grandeur du paramètre hors plan de la structure cristalline. Une transition complète ne semble être possible que lorsque le paramètre hors plan se trouve sous une grandeur critique, c = 3,41[A rond majuscule]. Des mesures d’effet Hall en fonction de la température sur des échantillons ayant différentes valeurs du paramètre hors plan ont permis de déterminer l’évolution des porteurs de charges présents en fonction de c. Les échantillons supraconducteurs suggèrent que la présence de trous comme porteurs de charge est essentielle à l’émergence de la supraconductivité. Leur présence semble diminuer rapidement à partir d’un paramètre hors plan plus grand que 3,41[A rond majuscule]. Il est possible d’établir un lien fondamental entre le comportement de la densité observé et celui d’une autre famille de supraconducteurs, les dopés aux électrons ayant une structure T’.

L'excitation et la propagation des ondes de cisaillement dans les dispositifs à ondes acoustiques de surface SAW à base de nitrure d'aluminium, en milieux liquides, nécessitent l'inclinaison de l'axe c dans la structure hexagonale. Le but de cette étude était de déposer des couches minces d'AlN à axe c incliné par la technique de pulvérisation magnétron sans aucune modification du dispositif de pulvérisation, le substrat et la cible n'ayant subi ni inclinaison ni décalage. Il a été possible, par une approche basée seulement sur la variation des paramètres de croissance, de déposer des couches minces piézoélectriques avec un angle d'inclinaison de 13°±2° dans des conditions de haute pression (0.8 Pa) et basse température (300°C). Une couche de SiO2 a été également déposée afin de favoriser la croissance inclinée des grains et par conséquent de celle des colonnes. Les couches déposées présentent une grande homogénéité de l'épaisseur sur 75% d'un substrat de silicium de 3 pouces. Après la détermination des paramètres optimaux de « croissance inclinée », nous avons réalisé un dispositif à onde acoustique de surface fonctionnant en mode de cisaillement avec lequel nous avons démontré la possibilité d'exciter les ondes de cisaillement dans un dispositif de type AlN/Si02/Si à 486.2 MHz avec une vitesse de propagation d'environ 5835m/s et un facteur de couplage électromécanique de 0.014%. La réponse électrique est fort intéressante si on tient compte du faible couplage électromécanique dû au substrat utilisé. / The excitation and propagation, in liquid media, of shear waves in surface acoustic wave (SAW) devices based aluminum nitride (AlN) require the inclination of the c axis in the hexagonal structure. The purpose of this study was to deposit tilted c-axis AlN thin films by magnetron sputtering technique without any modification of the deposition system. The search approach was based only on the optimisation of deposition parameters. Substrate and the target were not inclined or shifted. It has been possible through an approach based solely on changes in growth parameters, to deposit thin piezoelectric layers with an inclination angle of 13 ° ± 2 ° under conditions of high pressure (0.8 Pa) and low temperature ( 300 ° C). A thin layer of SiO2 was also introduced to enhance the growth of tilted grains and therefore the columns. The deposited layers have a homogeneous thickness of 75% of a silicon substrate of 3 inches. After determining the optimal parameters leading to growth AlN film with tilted c-axis, we achieved a SAW device and hence demonstrate the ability to excite shear waves in AlN/Si02 /Si SAW structure. The performed device operate at 486.2 MHz corresponding to an acoustic velocity of about 5835m/s and an electromechanical coupling coefficient of 0.014%. The obtained electrical response is very interesting if we take into account the low electromechanical coupling of the structure due to the used substrate.

Cette thèse concerne l'étude du diagramme de phase du fer en conditions extrêmes de pression et température. La Terre possède un noyau interne solide et un noyau externe liquide, qui sont principalement composés de fer. Une détermination fiable de la température de fusion du fer à 330 GPa, pression au-delà de laquelle le noyau terrestre est solide, permet de contraindre la température du noyau, ce qui est essentiel pour comprendre la dynamique terrestre. Le diagramme de phase du fer a été étudié jusqu'à 200 GPa en cellule à enclumes de diamant chauffée par laser utilisant la diffraction par rayon X comme diagnostic de l¿apparition de la fusion. Les températures obtenues sont en accord avec celles mesurées par compression dynamique, aux incertitudes expérimentales près, et sont plus élevées que celles obtenues lors de précédentes expériences statiques utilisant un critère de fusion différent. L'appareil, les méthodes et la métrologie utilisés pour les expériences en cellule à enclume de diamant chauffée par laser sont présentées ainsi que les problèmes rencontrés dans les expériences statiques à de telles conditions extrêmes. La possibilité d'utiliser le signal de diffraction des rayons X du joint en Re à des fins d'étalonnage de la pression pour l'expérimentation dans le domaine du multi-Mbar est aussi abordée. Dans ce but, l'équation d¿état du Re a été mesurée à 144 GPa. En fin, un test préliminaire a été effectué pour vérifier la possibilité d'utiliser la spectroscopie d'absorption des rayons X en dispersion d'énergie comme une technique complémentaire à la diffraction des rayons X pour la détermination de la courbe de fusion du fer. / This thesis concerns the study of the phase diagram of iron at extreme conditions of pressure and temperature. Iron is the main constituent of the terrestrial planetary cores. In particular, the Earth has a solid inner core and a liquid outer core which are mainly composed of iron. The accurate determination of the melting temperature of iron at the inner core boundary pressure, 330 GPa, would provide an important constraint on the temperature of the core, which is essential to understand how the dynamic Earth works. The phase diagram of iron has been investigated in laser-heated diamond anvil cell experiments up to 200 GPa using synchrotron-based fast X-ray Diffraction as a primary melting diagnostic. The obtained melting temperatures agree within the experimental uncertainties with the ones obtained from shock wave experiments and are higher than those reported by previous static experiments, where a different melting criterion was used. The apparatus, methods and metrology used in the static laser heated diamond anvil cell are discussed together with the issues encountered in static experiments at such extreme conditions. The possibility of using the X-ray diffraction signal of Re gasket for pressure calibration purpose for experiment in the multi-Mbar range is also discussed. For this purpose, Re equation of state has been measured up to 144 GPa. Finally, a preliminary test has been performed to check the possibility of using energy dispersive X-ray absorption spectroscopy as a technique complementary to fast X-ray diffraction in the investigation of the melting curve of iron.

Afin de déterminer la conduction thermique de sols en climat continental humide, l'étude des paramètres minéralogiques, physiques, physico-chimiques et géophysiques est essentielle. Le diffractomètre à rayons X, le microscope électronique à balayage et le terramètre sont utilisés pour la caractérisation et le calcul de la conduction thermique, soit la capacité volumétrique, la conductivité et la diffusivité thermique. La teneur en eau gravimétrique est la caractéristique qui interfère le plus fortement sur le bilan thermique. La minéralogie, quant à elle, joue deux rôles importants: (1) le quartz, minéral dominant dans la plupart des échantillons, possède une forte conductivité thermique et (2) la minéralogie des particules fines inférieures à 63 microns influencent la perméabilité des sols. L'interaction qui existe entre la température du sol, le contenu en eau et la minéralogie est clairement définie. Un lien direct unit les quantités de vermiculite et d'interstratifiés chlorite-smectite, potentiellement absorbantes, et les quantités d'eau retrouvées dans certains échantillons. Ainsi, la définition du bilan thermohydrodynamique représentatif des sols doit inclure une étude minéralogique. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Conduction thermique, Sols agricoles, Vermiculite, Diffraction aux rayons X, Microscopie électronique à balayage, Résistivité électrique.

La silice cristalline quartz est l'une des substances causant le plus de décès reliés aux substances chimiques en milieu de travail au Québec. Les différents intervenants québécois en hygiène du travail aimeraient dans de nombreux cas connaître son pourcentage dans les matériaux dans le but d'optimiser leur plan d'interventions en milieu de travail. La provenance des échantillons étant aussi variée que les mines, les industries des produits en pierre, les sablières et gravières, ces matrices ajoutent une complexité à la quantification de la silice cristalline dans une large gamme de concentrations allant de 0 à 100 % (p/p). Puisqu'il existe différents polymorphes de la silice cristalline et qu'elle est aussi fréquente sous forme amorphe, une technique permettant la distinction entre ces différentes formes doit être utilisée. Le but premier de cette étude était donc de développer une méthode de quantification du quartz, le polymorphe le plus abondant de la silice cristalline. Cette méthode doit convenir à plusieurs types de matrice et permettre une bonne exactitude sur la quantification du quartz sur une large gamme de concentrations. Afin de pouvoir être éventuellement utilisée dans le cadre d'analyses routinières, la méthode devait s'avérer simple d'exécution et relativement rapide. Une procédure standard a donc été mise sur pied utilisant la diffraction des rayons X sur poudre combinée à la méthode Rietveld automatisée. Des échantillons simulés de matrices diverses et de concentrations variables en quartz ont permis d'optimiser chaque étape de la méthode, du montage de l'échantillon à l'affinement Rietveld en passant par les conditions d'analyse. À la suite de tests sur dix-neuf échantillons, une erreur absolue moyenne de 1,07 % (p/p) a été trouvée pour la concentration de quartz ainsi qu'une limite de détection de 0,24 % (p/p). La qualité des résultats obtenus confirme que cette méthode s'avère efficace pour la quantification du quartz à plusieurs concentrations et dans différentes matrices. L'erreur doit toutefois être diminuée pour pouvoir aspirer à la quantification fiable de très faibles quantités de quartz. La méthode est simple et permet l'analyse complète d'un échantillon en moins d'une heure, une certaine expérience est toutefois nécessaire pour valider les résultats obtenus. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Diffraction des rayons X, Méthode Rietveld, Quartz, Analyse quantitative.