L’étude de l’état fondamental liquide de spins est un des domaines très actif de la recherche en matière condensée. Le réseau le plus à même de stabiliser un tel état fondamental semble être, à deux dimensions, le réseau kagomé de spins antiferromagnétiques 1/2. Il y a à présent un consensus théorique sur le fait que ce modèle stabilise un état fondamental liquide de spin. Cependant, la nature de cet état est encore inconnue, notamment la nature des corrélations. Nous ne savons toujours pas si ces dernières sont à courte portée avec un gap dans le spectre d’excitations, ou si elles sont à plus longue portée avec un spectre d’excitations sans gap. D’un point de vue expérimental il n’existe que très peu de matériaux et seul l’Herbertsmithite présente un réseau kagomé de spins 1/2 géométriquement parfait. Les différentes études réalisées sur ce composé pointent toutes vers un état liquide de spin sans gap mais révèlent aussi des déviations à l’hamiltonien de Heisenberg qui pourraient être responsables de la fermeture de ce gap.Cette thèse traite de l’étude expérimentale principalement par RMN et µSR de nouveaux composés kagomé à base de vanadium faisant partie d’une famille récemment synthétisée, les vanadates fluorés à géométrie kagomé. Le matériau que nous avons le plus étudié est un composé à réseau kagomé de spins 1/2 à base de V4+, (NH4)2[C7H14N][V7O6F18] (DQVOF). Le modèle magnétique de ce composé peut être décomposé en deux sous systèmes presque indépendants, des plans kagomé trimérisés isolés et des ions V3+ quasi paramagnétiques. Les études de µSR démontrent une absence de gel magnétique jusqu’à 20 mK donc un état liquide de spins dans DQVOF. Les études de chaleur spécifique et de RMN dévoilent un comportement liquide de spin sans gap malgré la trimérisation du réseau et la faible valeur supposée de l’interaction Dzyaloshinskii Moriya. Nos résultats montrent finalement que l’absence de gap, intrinsèque ou due à des déviations à l’hamiltonien idéal, est une caractéristique robuste des matériaux kagomé. Nous avons de plus étudié un second matériau de cette famille, (NH4)2[C2H8N][V3F12] (DDVF), dont le réseau magnétique est formé par des plans kagomé découplés entre eux à base de V3+ (S = 1). Ce réseau présente de fortes distorsions par rapport au réseau idéal et les expériences thermodynamiques et de µSR mettent en évidence une transition magnétique vers un état gelé à 10 K avec une mise en ordre à longue distance qui s’effectue à 6 K uniquement. / The search for quantum liquid state is a very active field in condensed matter research. In two dimensions, the antiferromagnetic spin 1/2 kagome lattice seems to be the most able to stabilize such a ground state. Indeed, from recent theoretical investigations, we are now quite sure that this model has a quantum spin liquid ground state. However, we still do not know its nature, in particular the nature of its correlations. They could be short ranged with a gap in the excitation spectrum, or long ranged with a gapless excitation spectrum. On the experimental side, only few materials exist and only one possesses a geometrically perfect lattice, the Herbertsmithite. All the experiments that have been done on this compound reveal a gapless spin liquid state along with deviations to the spin 1/2 Heisenberg hamiltonian which could be responsible of the gap closure.This thesis deals with the experimental study, mainly by NMR and µSR, of new vanadium based kagomé compounds which are part of a newly synthesized family, the kagome fluoride vanadates. The material that we studied the most is a spin 1/2 kagomé compound based on V4+, (NH4)2[C7H14N][V7O6F18] (DQVOF). The magnetic model of this compound can be decomposed in two rather independent parts, trimerized kagome planes and quasi paramagnetic V3+ ions. The µSR studies, showing the absence of frozen moment down to 20 mK, reveal a spin liquid ground state in DQVOF. The heat capacity and the NMR experiments point out a gapless behavior despite trimerization and likely weak Dzyaloshinskii Moriya interactions. Our results demonstrate that the gapless ground state, whether intrinsic or due to deviation to the ideal hamiltonian, is a rather robust characteristic of kagome materials.Furthermore, we studied another compound of this family, (NH4)2[C2H8N][V3F12] (DDVF), which magnetic lattice is made of uncoupled kagomé planes based on V3+ (S = 1). The lattice shows large deviations to the ideal kagomé and the thermodynamic experiments and the µSR studies reveal a magnetic transition to a frozen state at 10 K with a long distance order which is effective only below 6 K.

Le marquage, la détection et l’étude de protéines in cellulo sont essentiels pour la compréhension au niveau moléculaire des mécanismes biologiques. Des techniques sensibles et qui engendrent peu de perturbations sur le système étudié sont indispensables. Hélas les techniques de pointe historiquement utilisées telles que l’optique font déplorer une forte perturbation du système en raison de la taille imposante des fluorophores utilisés. L’IRM quant à elle possède une sensibilité de détection très faible. Ce projet propose une méthode innovante de détection de protéines en combinant ces deux techniques prometteuses et hautement complémentaires pour une étude moléculaire de processus intracellulaires. Les deux avancées techniques permettant l’élaboration d’un tel projet sont l’utilisation d’un fluorophore activable de très petite taille et l’exploitation de la grande sensibilité d’un gaz non toxique, le xénon, dont le spin nucléaire est hyperpolarisé. Combiner ces deux techniques d’imagerie novatrices permet d’obtenir des informations au niveau moléculaire. Ce projet sera une percée dans le suivi de protéines recombinantes et l’étude des mécanismes intracellulaires associés. In fine, le but est de créer le premier traceur capable de détecter sa cible et de s’activer à la fois en fluorescence et en IRM. / Full understanding of intracellular phenomena involves sensitive and non-invasive detection. A less disruptive method than labeling with fluorescent proteins uses binding between a tag of only six natural amino acids that can be genetically incorporated into the protein of interest and a small molecule called FlAsH. This molecule has the ability to fluoresce only when it binds to its tetracysteine target. Another technique based on 129Xe NMR has emerged. Xenon is hyperpolarized to enhance the NMR signal by orders of magnitude and its reversible encapsulation in functionalized host systems gives it a specific spectral signature. Capability of the noble gas to cross cell membranes without losing its polarization enables in cellulo investigations.This doubly smart probe is highly promising for monitoring, studying, detecting recombinant proteins. Structural, chemical and lateral resolutions are combined by the bimodality of this new concept, which can be extended to in cellulo detection.

L'étude de la dynamique intrinsèque de l'ADN-B permet de caractériser l'espace conformationnel exploré par cette macromolécule. Cette dynamique, qui dépend de la séquence, est un facteur clé dans les mécanismes d'interaction avec les protéines, l'ADN étant plus ou moins prédisposé à s'adapter à son partenaire. Lors de cette thèse, nous avons sondé la dynamique de l'ADN à deux échelles de temps, en nous basant sur l'étude de quatre dodécamères par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Nous nous sommes d'abord intéressés à la dynamique des groupements phosphates, qui correspondent à des mouvements rapides (picoseconde-nanoseconde). Nous avons ainsi confirmé l'effet de la séquence dinucléotidique sur cette dynamique, qui peut être prédit et quantifié. Nous avons également mis en lumière pour la première fois l'étroite inter-dépendance qui existe entre déplacements chimiques du phosphore, distances internucléotides et constantes de couplage dipolaire résiduel. L'interprétation de ces observables RMN en termes de conformations des phosphates, de paramètres hélicoïdaux et de taille des sillons, montre qu'en fait ces couplages reflètent la mécanique intrinsèque de l'ADN en solution. En interfaçant ces résultats avec l'effet de séquence observé sur la dynamique des phosphates, il est aussi possible de saisir de quelle façon la conformation moyenne de la double hélice et l'espace conformationnel associé sont modulés par la séquence au niveau dinucléotidique. Enfin, des dynamiques moléculaires réalisées avec les très récents champs de force CHARMM36 et Parmbsc0ezOLI, confrontées aux données expérimentales, ont permis d'apprécier le réalisme croissant des ADN simulés et ont aidé à préciser des éléments de la dynamique qui échappent à l'expérience. Le deuxième volet de cette thèse a porté sur les mouvements de l'ADN se produisant à l'échelle de la milliseconde, encore très peu étudiés. Nous avons mis au point des expériences de dispersion-relaxation qui ont apporté la preuve de l’existence d’un échange conformationnel d'un type totalement nouveau. Cet échange ne semble apparaitre que sur un type particulier de séquence, riche en A:T. Certaines régions de l’ADN, probablement spécifiques, peuvent ainsi localement évoluer vers une forme très faiblement peuplée, dont la structure détaillée reste à caractériser. L'ensemble de ces résultats offre un panorama des capacités dynamiques de l'ADN, dépendantes de la séquence, et ouvre ainsi de nombreuses perspectives vers une meilleure compréhension des mécanismes qui guident la formation des complexes ADN-protéines. / The study of B-DNA intrinsic dynamics enables to characterize the conformational landscape explored by this macromolecule. Indeed, binding of DNA to proteins is modulated by subtle sequence-dependent variations inherent to the dynamics of free DNA, which facilitate or disfavor the structural fit with cognate partners.In this thesis, the DNA dynamics was investigated at two time-scales, on the basis of the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) study of four dodecamers. First, we examined the fast dynamics (pico-nanosecond) of phosphate linkages. We confirmed that the dinucleotide sequence modulates the backbone dynamics, an effect that can be quantified and predicted. Then, our experimental data enabled to establish that phosphorus chemical shifts, internucleotide distances and residual dipolar couplings constants are closely correlated. The translation of the NMR observables in terms of phosphate conformations, helicoidal parameters and minor groove dimension, allowed the structural interpretation of the couplings and led to the first coherent description of the intrinsic DNA mechanics in solution. Owing our knowledge of the effect of the sequence on the backbone behavior, it is now possible to understand how the DNA shape and the associated conformational landscape are modulated at the dinucleotide level. Finally, the performance of molecular dynamics (MD) simulations with the recent force-fields Parmbsc0εζOLI and CHARMM36 was tested extensively against our NMR data. We found impressive progress towards a realistic representation of DNA, despite residual shortcomings. This advance allowed to reveal new aspects of the DNA dynamics, which cannot be assessed from experiments.The second part of this thesis focused on slow motions in B-DNA, which are still largely under-investigated. Using and developing sophisticated relaxation-dispersion NMR experiments, we demonstrated the existence of a new conformational exchange at the millisecond time-scale, which seems to only occur in a particular type of sequence, A:T rich. Thus, in addition to the familiar structural patterns that are the signature of the B double helix, some short DNA regions, likely specific, are able to explore another conformational state, weakly populated, whose detailed structure still needs to be characterized.Overall, these results provide original insights on the DNA dynamic repertoire, sequence-dependent, and open the way towards a better understanding of the mechanisms underlying the formation of DNA-protein complexes.

Des silice-alumines (SA) avec des propriétés acides améliorées et une fraction plus élevée d’aluminium acides ont été préparées en utilisant deux stratégies de synthèse. Leurs propriétés texturales ont été étudiées par physisorption de N2 et leurs propriétés acides par suivi FTIR de l’adsorption de molécules sondes (pyridine ou CO). Par ailleurs, la réaction d’isomérisation du 33DMB1 a été utilisée pour caractériser leurs performances catalytiques et leurs propriétés acides. La première stratégie de synthèse a été de désaluminer des silice-alumines commerciales avec de l’acetylacetone ou de l’acide citrique (CA). CA est plus actif et plus sélectif que Acac et permet de retirer jusqu’à 87% des Al initialement présents tout en augmentant la quantité de sites acides (jusqu’à 41%) et en multipliant par 5 la fraction d’Al acides. La seconde stratégie a été de greffé des précurseurs d’aluminium (Al(OPri)xL3-x, TIBA, DiBAH) sur des silices. Toutes les SA obtenues par greffage présentent une activité catalytique plus élevées que les SA commerciales et la zéolithe, mais seules certaines de SA obtenues par greffage de DiBAH ont des sites acides de Bronsted forts. Des SA représentatives de ces deux séries ont été caractérisées par RMN, avec comme objectif d’étudier la structure des sites acides en utilisant des séquences RMN 1D et 2D, homo- et héteronucléaires impliquant 1H et 27Al. Cette étude a mis en évidence: (i) la présence, pour la plupart des SA, de deux phases, l’une d’alumine, l’autre de silice alumine (27Al DQ-SQ NMR); (ii) une localisation des atomes d’Al près de la surface sur la base de leur flexibilité de coordination 27Al NMR (DP and 3Q MAS); (iii) l’implication possible des AlV (en plus des AlIV) dans les sites acides de Bronsted (27Al-1H D-HMQC 2D NMR); (iv) la probable différence de structure des sites acides des SA par rapport à ceux des zéolithes (1H-27Al REAPDOR). / ASAs with enhanced acidity and a higher fraction of acidic Al were prepared by two experimental strategies. Their textures have been investigated by N2 adsorption–desorption and their acidic properties by FTIR of adsorbed probe molecule (pyridine or CO). Besides, isomerization of 33DMB1 was selected as model reaction to check their activity and characterize their acidity. The first strategy is based on dealumination of commercial ASAs with acetylacetone (Acac) or citric acid (CA). CA is superior to Acac for selective dealumination. It allows removing up to 87% of Al, increases total acidity up to 41%, and fraction of acidic Al by a 5 fold factor. The second strategy is based on the grafting Al precursor (Al(OPri)xL3-x, TIBA, DiBAH) on silica. All the grafted ASAs display better performance for 33DMB1 isomerization than commercial ASA and zeolite, but strong Brønsted acid sites are observed solely for some DiBAH derived samples. Representative samples of these two series were selected as model ASAs for advanced NMR characterization, with the purpose to investigate the structure of acid sites by a combination of one and two-dimensional homo- and heteronuclear 1H and 27Al NMR. On most ASAs, two separate phases are present: alumina and silica-alumina (27Al DQ-SQ NMR). Localization of most of the Al atoms was evidenced based on the flexibility of their coordination (27Al NMR DP and 3Q MAS). Brønsted acidity may be associated with both AlIV and AlV (27Al-1H D-HMQC 2D NMR) but the structure of these sites is probably different from those of zeolites (1H-27Al REAPDOR).

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Afin d'étudier la diffusion et la libération de molécules de tailles inférieures dans un gel polymère, les coefficients d'auto-diffusion d'une série de polymères en étoile avec un noyau d'acide cholique et quatre branches de poly(éthylène glycol) (PEG) ont été déterminés par spectroscopie RMN à gradient de champ pulsé dans des solutions aqueuses et des gels de poly(alcool vinylique). Les coefficients de diffusion obtenus ont été comparés avec ceux des PEGs linéaires et dendritiques pour étudier l'effet de l'architecture des polymères. Les polymères en étoile amphiphiles ont des profils de diffusion en fonction de la concentration similaires à leurs homologues linéaires dans le régime dilué. Ils diffusent plus lentement dans le régime semi-dilué en raison de leur noyau hydrophobe. Leurs conformations en solution ont été étudiées par des mesures de temps de relaxation spin-réseau T1 du noyau et des branches. L'imagerie RMN a été utilisée pour étudier le gonflement des comprimés polymères et la diffusion dans la matrice polymère. Les comprimés étaient constitués d'amidon à haute teneur en amylose et chargés avec de l'acétaminophène (de 10 à 40% en poids). Le gonflement des comprimés, ainsi que l'absorption et la diffusion de l'eau, augmentent avec la teneur en médicament, tandis que le pourcentage de libération du médicament est similaire pour tous les comprimés. Le gonflement in vitro des comprimés d'un complexe polyélectrolyte à base d'amidon carboxyméthylé et de chitosane a également été étudié par imagerie RMN. Ces comprimés sont sensibles au pH : ils gonflent beaucoup plus dans les milieux acides que dans les milieux neutres en raison de la dissociation des deux composants et de la protonation des chaînes du chitosane. La comparaison des résultats avec ceux d'amidon à haute teneur en amylose indique que les deux matrices ont des gonflements et des profils de libération du médicament semblables dans les milieux neutres, alors que les comprimés complexes gonflent plus dans les milieux acides en raison de la dissociation du chitosane et de l'amidon. / In an effort to study the diffusion and release of small molecules in a polymeric system, the self-diffusion coefficients of a series of star polymers with a cholic acid core bearing four poly(ethylene glycol) (PEG) arms in aqueous solutions and gels of poly(vinyl alcohol) were determined by pulsed gradient spin-echo NMR techniques. The results have been compared with those of linear and dendritic PEGs to elucidate the effect of the architecture of the polymers. The amphiphilic star polymers show similar concentration-dependent diffusion behaviors in the dilute regime to their linear homologues. They diffuse more slowly in the semi-dilute regime than the linear PEGs due to the presence of the hydrophobic core. The conformation of the star polymers in the solutions was studied by measuring the T1 values of the core and the arms of the diffusants. NMR imaging was used to study the swelling of polymeric tablets and diffusion in the polymer matrix. The tablets investigated were made of cross-linked high amylose starch (CHAS) and loaded with acetaminophen (10, 20 and 40 wt%). The swelling, water uptake and diffusion in the CHAS network are faster at higher drug loading levels, while the drug release rates are similar among all the tablets. The in vitro swelling of the tablets made of a polyelectrolyte complex based on chitosan and carboxymethylated starch has also been studied by NMR imaging. These tablets showed pH-sensitive behavior. They swelled much more in acidic media than in neutral media due to dissociation of the two components and the protonation of the amino groups in the chitosan residues. The comparison of the results with those obtained with the CHAS tablets indicates that the two matrices have similar swelling and drug release profile in neutral media, while the complex tablets showed a greater extent of swelling in acidic media due the dissociation of the chitosan from the complex.

Ces travaux de thèse portent sur l'analyse des mélanges réels et synthétiques complexes composés de petites molécules à l'aide de la RMN HRMAS. Dans une première partie, une approche RMN HRMAS basée sur l'analyse métabolomique en combinaison avec des techniques de reconnaissance des formes (PCA et O-PLS-DA) a été appliquée pour le diagnostic des lésions thyroïdiennes indéterminées et étudier également les effets biologiques négatifs des nanoparticules d'aluminium sur pseudomonas brassicacearum. Dans une seconde partie, nous avons étudié la RMN chromatographique en utilisant la silice comme matrice de support qui pourrait fournir une alternative rapide et complète de la LC pour la caractérisation de mélanges complexes. En outre, l'exigence de la suppression du signal dans l'extrait de plantes naturelles et d'hydrocarbures aromatiques conduit à l'élaboration d'une méthode rapide et précise en utilisant des polymères à empreintes moléculaires avec une excellente sélectivité. La sélectivité des polymères à empreintes moléculaires à travers la capture d'une cible moléculaire spécifique est exploitée ici pour éliminer efficacement les signaux RMN. / This thesis work deals with the analysis of natural and synthetic complex mixtures composed of small molecules using HRMAS NMR. In a first part, an integrated HRMAS-NMR based metabolomic analysis in combination with pattern recognition techniques (PCA and O-PLS-DA) has been applied for the diagnosis of indeterminate thyroid lesions and also studied the potential adverse biological effects of aluminium nanoparticles on pseudomonas brassicacearum. In a second part we investigated that chromatographic NMR using silica as the matrix support could provide a quick alternative and complement to LC for the characterization of complex mixtures. In addition, requirement for signal suppression in natural plant extract and aromatic hydrocarbons led to the development of a rapid and accurate method using molecularly imprinted polymers with excellent selectivity. The selectivity of Molecularly Imprinted polymers towards capturing a specific molecular target is exploited here to efficiently remove NMR signals.

Les voies de transduction du signal cellulaire permettent aux cellules de répondre aux signaux de l'environnement et de les traiter. Les voies de transduction de kinases MAP (MAPK) sont bien conservées dans toutes les cellules eucaryotes et sont impliquées dans la régulation de nombreux processus cellulaires importants. Les régions intrinsèquement désordonnées (RID), présentes dans de nombreuses MAPK, n'étaient pas encore structurellement caractérisées. Les RID de MAPK sont particulièrement importantes car elles contiennent des motifs de liaison qui contrôlent les interactions entre les protéines MAPK elles-mêmes et aussi entre les protéines MAPK et d'autres protéines contenant les mêmes motifs. La résonance magnétique nucléaire (RMN) en combinaison avec d'autres techniques biophysiques a été utilisée pour étudier les RID de kinase des voies de transduction du signal MAPK. La spectroscopie RMN est bien adaptée pour l'étude des protéines intrinsèquement désordonnées à l'échelle atomique. Les déplacements chimiques et couplages dipolaires résiduels peuvent être utilisés conjointement avec des méthodes de sélection d'ensemble pour étudier la structure résiduelle dans les RID. La relaxation de spin nucléaire nous renseigne sur les mouvements rapides. Des titrations par RMN et des techniques de spectroscopie d'échange peuvent être utilisées pour surveiller la cinétique d'interactions protéine-protéine. Cette étude contribuera à la compréhension du rôle des RID dans les voies de transduction du signal cellulaire. / Protein signal transduction pathways allow cells respond to and process signals from the environment. A group of such pathways, called mitogen-activated protein kinase (MAPK) signal transduction pathways, is well conserved in all eukaryotic cells and is involved in regulating many important cell processes. Long intrinsically disordered region (IDRs), present in many MAPKs, have remained structurally uncharacterised. The IDRs of MAPKs are especially important as they contain docking-site motifs which control the interactions between MAPK proteins themselves and also between MAPKs and other interacting proteins containing the same motifs. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy in combination with other biophysical techniques was used to study IDRs of MAPKs. NMR spectroscopy is well suited for studying intrinsically disordered proteins (IDPs) at atomic-level resolution. NMR observables, such as for example chemical shifts and residual dipolar couplings, can be used together with ensemble selection methods to study residual structure in IDRs. Nuclear spin relaxation informs us about fast pico-nanosecond motions. NMR titrations and exchange spectroscopy techniques can be used to monitor kinetics of protein-protein interactions. The mechanistic insight into function of IDRs and motifs will contribute to understanding of how signal transduction pathways work.