La présentation porte sur les deux principaux domaines de recherche dans lequel je me suis investi, depuis 2003, au BRGM, celui du développement de la prospection par Résonance Magnétique Protonique (RMP), et l'utilisation des méthodes Electro-Magnétique à Source Contrôlée (CSEM). Une brève introduction rappellera le principe de la mesure RMP. La première partie, présentera les travaux réalisés pour raffiner les modèles utilisés, pour prendre en compte la variation du signal liée aux conditions de mesures (champ géomagnétique, topographie) et à l'environnement géologique (zone non-saturée dans la craie, forte conductivité sur le bord de la mer Morte). Afin d'appréhender la nature 2D/3D des objets étudiés, j'ai développé un modèle 3D de la réponse RMP et mis au point une approche permettant d'évaluer la position et le volume de cavités remplies d'eau (imagerie d'un conduit karstique près de Rocamadour et cartographie de la dissolution d'une couche de sel générant des effondrements « sinkholes »). Enfin j'ai développé un programme d'inversion qui permet de réaliser une tomographie en 2D/3D de la teneur en eau et des temps de relaxation (illustrée dans le cas d'un aquifère sédimentaire interrompu par un système de failles). La deuxième partie concernera la mesure de la résistivité électrique par de grands dispositifs appliquée à l'imagerie d'aquifères complexes (biseaux salés et milieu volcanique) et la mise au point d'un dispositif CSEM dédié au suivi temporel de la résistivité dans un aquifère. L'originalité réside dans l'utilisation du tubage métallique des forages pour injecter le courant électrique en profondeur et permettant par la mesure en surface du champ électrique et magnétique, de mesurer les variations de résistivité au sein d'un réservoir profond. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du suivi de l'injection de CO2 (résistant) dans des réservoirs salins. La performance du dispositif sera illustrée par une étude numérique et sa mise en œuvre sur le site pilote de Ketzin en Allemagne. Je conclurai cet exposé par un aperçu des orientations vers lesquelles je propose de faire porter l'effort de recherche dans ces deux domaines, aujourd'hui en pleine évolution.

Des élastomères chargés sont préparés par polymérisation radicalaire. Les colloïdes employés sont monodisperses et sphériques, leur surface est fonctionnalisée par des silanes créant soit de liaisons covalentes soit n'engageant aucune liaison avec le réseau 3D de polymère. Nous avons montré que l'état de dispersion obtenu était identique pour les deux types d'interaction par diffusion neutronique aux petits angles et imagerie cryo-TEM. Les réseaux ainsi formés ont été étudiés par RMN 1H, mesure du gonflement à l'équilibre pour déterminer le type et la force des interactions. Nous avons ainsi montré l'existence de liaisons covalentes ou hydrogène en fonction du système. La RMN nous a permis de montrer également l'existence de polymère vitreux même au-delà de la transition vitreuse du polymère. Ce polymère vitreux se situe autour des particules de silice. Il montre un caractère fortement dépendant de l'interaction polymère/matrice et de la distance entre particule. Les propriétés viscoélastiques de ces élastomères renforcés aux petites déformations sont fortement dépendantes de l'existence et de la taille de cette couche vitreuse en surface. Nous montrons également un comportement étonnant en fréquence des systèmes non covalent qui nous est maintenant demandé de résoudre. Aux grandes déformations nous montrons qu'il existe deux types de non linéarité, la première associée à la couche vitreuse et la deuxième associée à une rupture de liaisons faible en surface.

Les ARN constituent des cibles thérapeutiques extrêmement intéressantes bien qu'encore assez peu exploitées. En effet, les obstacles pour la conception de ligands spécifiques de ces cibles non traditionnelles, polyanioniques et très flexibles, sont encore loin d'être levés. Les aminoglycosides, utilisés depuis longtemps pour leurs propriétés antibiotiques, sont souvent décrits comme des " ligands universels " d'ARN. Leur structure constitue donc une architecture favorable pour l'élaboration de nouveaux ligands spécifiques des ARN.Le but de cette thèse a été de développer une méthode systémique originale combinant chimie organique et microbiologie pour synthétiser de nouvelles molécules de structure analogue aux aminoglycosides, se fixant de façon spécifique sur des cibles ARN. Ce travail repose sur la compréhension récente des voies de biosynthèse des aminoglycosides permettant leur ingénierie rationnelle selon une stratégie de mutasynthèse. Cette approche expérimentale s'appuie sur la conception de mimes de métabolites naturels pouvant être transformés par des bactéries génétiquement modifiées. Le développement de méthodologies novatrices en ingénierie métabolique, synthèse organique et chimie analytique nous a permis de concevoir des analogues d'aminoglycosides fluorés qui se sont avérées être d'excellentes sondes dans l'étude des ARN par RMN du fluor.

La spectroscopie RMN est un moyen unique d'évaluer l'environnement cellulaire in vivo. En effet, les molécules observées sont exclusivement intracellulaires, et ont en général un rôle biochimique ainsi qu'une compartimentation cellulaire spécifique. C'est donc un outil potentiellement utile pour comprendre le fonctionnement des cellules dans leur environnement. Mon travail de thèse consistait à développer de nouvelles séquences en spectroscopie de diffusion et en spectroscopie du phosphore 31.Mon premier travail a été de développer une séquence de spectroscopie de diffusion à temps de diffusion ultra-court pour observer la diffusion anormale dans le cerveau de rat. L'évolution de l'ADC en fonction du temps de diffusion montre que le transport des métabolites dans le cerveau se fait essentiellement par diffusion aléatoire et que la contribution des transports actifs (s'ils existent) est négligeable. La modélisation de ces données a mis en évidence que la spectroscopie de diffusion à court temps de diffusion était sensible à la viscosité du cytoplasme et à l'encombrement à courte échelle. Cette technique a donc été choisie lors d'une collaboration avec la firme Eli Lilly pour le suivi de souris transgéniques (rTg4510), modèle de taupathie. Les résultats préliminaires font apparaitre des différences significatives d'ADC à un stade précoce de la neurodégénérescence (3 et 6 mois). La spectroscopie RMN du phosphore 31 permet d'observer des métabolites directement impliqués dans le processus énergétique. Au cours de cette thèse, des séquences de localisation ont été développées pour pouvoir mesurer le pH intracellulaire dans le striatum de macaque. A terme, ces séquences seront utilisées pour évaluer l'utilité potentielle du pH comme biomarqueur de la neurodégénérescence dans un modèle phénotypique de la maladie de Huntington chez le macaque.

Les fullerènes natifs sont reconnus pour leur faible solubilité dans l'eau et par conséquent pour former des agrégats insolubles (nano-C60) dans les fluides biologiques. Au contraire, les hydroxyfullerènes (C60(OH)n) sont très solubles dans les milieux aqueux. Ils sont biocompatibles et démontrent une toxicité in vivo très faible sur les lignées cellulaires humaines. Les mécanismes d'interaction entre ces nanoparticules solubles dans l'eau et les membranes biologiques ne sont pas très connus et pourraient constituer un nouveau mode d'action pour lutter contre les bactéries résistantes aux médicaments et permettre le développement de nouveaux agents antibiotiques plus efficaces. Les buts principaux de cette recherche sont de vérifier l'effet des fullerénols, C60(OH)24, sur les membranes cellulaires modèles à l'aide de la spectroscopie de RMN-ÉS et d'IRTF et de synthétiser des nanoparticules (NPs) à base de fullerène au pouvoir potentiellement antibiotique. Les membranes cellulaires sont composées majoritairement de phospholipides, et des mélanges de dipalmitoyl-phosphatidylcholine et –phosphatidylglycérol (DPPC/DPPG) et de DPPC/Cholestérol sont utilisés pour imiter respectivement les membranes de bactéries et d'eucaryotes. Les résultats de spectroscopie de RMN (31P et 2H) de l'état solide et d'IRTF présentés dans ce travail démontrent une affinité spécifique des fullerénols pour les membranes bactériennes composées du phospholipide anionique DPPG. Selon nos observations, les fullerénols sont solubles dans l'eau et interagiraient sélectivement avec les têtes polaires de la DPPG à l'interface eau/bicouche via des ponts-H. Aucun effet similaire n'a été observé pour les membranes modèles de type eucaryotes composées de DPPC/Cholestérol. Dans une autre section, une méthodologie de synthèse permettant d'introduire en une étape des unités propargyle ou azoture en périphérie du fullerène est détaillée, ainsi que la méthode pour en évaluer le nombre à l'aide de la TGA, de la RMN et de I'ATR. Ensuite, à l'aide de la méthode de réduction de Staudinger sur un précurseur polyazidofullerène, le composé polycationique C60(OH)n(OCH2CH2NH3+CI-)10 est synthétisé. Aussi, l'exploration de la "Click chemistry" nous permet de synthétiser un fulléroglyco "cluster" D-mannosylé contenant sept unités de carbohydrates en périphérie du fullerène. La haute solubilité de ces composés dans les milieux aqueux est démontrée. En conclusion, à l'aide de la spectroscopie de RMN-ÉS et d'IRTF, nous avons démontré l'effet spécifique des fullerénols sur les membranes modèles de bactéries. Aussi en deuxième partie, nous avons synthétisé des molécules nouvelles à base de fullerène contenant des fonctions ammonium ou des sucres en périphérie du C60. Ces molécules sont fortement solubles dans l'eau. L'ensemble de nos travaux suggère une piste intéressante dans le développement de nouveaux antibiotiques à base de fullerène ayant une spécificité pour les membranes bactériennes de type E. coli. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Fullerénol, interactions membrane/nanoparticule, DPPC, DPPG, cholestérol, RMN de l'état solide, phosphore, deutérium, IRTF, bactérie, eucaryote, ponts-H, fulléroglyco "cluster", polyazidofullerène, fullerène polycationique, TGA, ATR.

La résonance magnétique nucléaire du solide est un outil potentiellement puissant pour déterminer la structure et la dynamique d'une large variété de composés. Dans cette thèse, nous montrons tout d'abord comment assigner un échantillon en poudre et en abondance isotopique naturelle à une structure cristalline en utilisant la RMN du solide haute résolution proton et carbone associée à des calculs théoriques. De même, la détermination de la structure tridimensionnelle d'un composé organique en poudre et en abondance isotopique naturelle est présentée. Elle est obtenue par une méthode qui combine modélisation moléculaire et données expérimentales de diffusion de spin proton. Enfin, une étude de la dynamique et du désordre structural a été réalisée sur des matériaux composés de silice par l'intermédiaire de la RMN du silicium. Ainsi, on montre que le temps de déphasage transverse T2' du silicium peut être utilisé comme une sonde de la dynamique indépendamment du désordre statique.

Les phosphates de cuivre de type NASICON CuxM2(PO4)3 (x=0,5 pour Cu2+; x=1 pour Cu+) (M=Ti, Zr) sont des matériaux remarquables par leurs propriétés catalytiques et luminescentes. L'établissement de modèles rendant compte de ces propriétés à nécessité la localisation du cuivre et la connaissance précise de son environnement par diverses techniques complémentaires : EXAFS, diffraction de neutrons, RMN, microscopie électronique. Le caractère lacunaire de ces phosphates a permis l' enrichissement en cuivre de ces matériaux et l'intercalation notamment du lithium et de l'hydrogène au sein de ces phases.

L'objectif de ce travail était d'optimiser les conditions ainsi que les techniques d'acquisition par spectroscopie et par imagerie spectroscopique par RMN du proton in vivo, chez le petit animal pour les appliquer à des études biologiques. Les conditions d'acquisitions ont été améliorées par la mise en place d'une technique de correction automatique des inhomogénéités de champ magnétique. Les séquences d'acquisition ont été optimisées par l'utilisation de la technique de suppression d'eau VAPOR et par l'utilisation de l'imagerie spectroscopique par encodage spiral à temps d'écho court. <br />Le pH extracellulaire (pHe) dans les tumeurs est plus acide que dans le tissu sain. Cette acidité semble être un facteur favorisant la prolifération. A l'aide d'une nouvelle molécule sonde, l'ISUCA, nous avons utilisé l'imagerie spectroscopique pour cartographier la distribution de pH extracellulaire dans les tumeurs et la comparer avec la distribution du lactate. Celles-ci ne sont pas corrélées spatialement, de plus à la suite d'une hyperglycémie, les quantités de lactate et de protons augmentent de manière globale mais avec une corrélation spatiale négative. Ces résultats suggèrent une redistribution des protons des sites de la glycolyse vers des pompes membranaires.<br />Le second projet biologique portait sur l'étude du rôle de l'ammonium dans la régulation de la glycolyse dans le cerveau. L'hyperammoniémie augmente la concentration de lactate cérébral: j'ai montré que cette augmentation peut être transitoire, ce qui est une condition incontournable pour un éventuel rôle physiologique de l'ammonium dans le couplage métabolique entre neurones et astrocytes.

La spectroscopie localisée par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) a de nombreuses applications in vivo, car cette technique permet l'étude des métabolites endogènes. Cette thèse explore dans ce contexte diverses voies d'amélioration des données de spectroscopie. La première méthode présentée, est une méthode de correction de spectre mono-voxel. Une méthode de reconstruction pour l'imagerie spectroscopique s'appuyant sur la résolution d'un système d'équations linéaires au lieu de la transformation inverse de Fourier utilisée habituellement est ensuite proposée. Cette modification permet notamment la prise en compte des défauts du champ magnétique local. Enfin, une dernière méthode qui trouve son utilité lorsque le signal est trop faible pour permettre la quantification des signaux des métabolites ou lorsque les défauts du champ magnétique sont trop importants est développée puis validée par simulation et expérimentalement.

La découverte récente de supraconductivité à relativement haute température (Tc,max=56K) dans les pnictures de Fer soulève des questions fondamentales sur l'origine et la nature de la supraconductivité : en particulier, la présence d'une phase antiferromagnétique à proximité de celle-ci dans leur diagramme de phase, comme dans d'autres supraconducteurs non conventionnels pose la question du lien entre magnétisme et supraconductivité.Nous nous sommes intéressés à la nature de l'état normal ainsi que des phases antiferromagnétique et supraconductrice d'un point de vue local grâce à la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) dans les pnictures de Fer. Nous avons pour cela étudié des pnictures de Fer de même composé parent BaFe2As2 pour des substitutions Co en site Fer de nature hétérovalente et réalisant un dopage électron ou bien Ru en site Fer de nature isovalente. L'état normal de ces matériaux présente des différences notables avec l'état normal des cuprates supraconducteurs : le désordre introduit par les substitutions au niveau intraplan est faible et on constate l'absence d'une phase de PseudoGap pour la susceptibilité de spin. Les diagrammes de phase sont similaires pour le Co et le Ru mais nos mesures montrent que la nature des phases antiferromagnétique et supraconductrice est en réalité qualitativement différente à l'échelle locale pour les deux types de substitution. Pour la substitution au Co réalisant un dopage électron, les phases électroniques sont homogènes et nous démontrons en particulier qu'à certains dopages, un ordre antiferromagnétique incommensurable coexiste avec la supraconductivité jusqu'à une échelle atomique, suggérant une nature itinérante du magnétisme et un état supraconducteur possédant une symétrie non conventionnelle. Pour la substitution isovalente au Ru, les phases électroniques sont inhomogènes à une échelle étonnamment faible, de l'ordre du nanomètre, mettant en jeu une coexistence entre magnétisme et supraconductivité très distribuée spatialement. Ce travail illustre la possibilité d'engendrer une phase supraconductrice non conventionnelle en déstabilisant une phase antiferromagnétique au moyen de mécanismes agissant soit dans l'espace réciproque (dopage électron), soit dans l'espace réel (substitution isovalente) et donnant lieu par ailleurs à une coexistence de ces phases de nature très différente dans les deux cas.