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Molecular dynamics of biomolecules, like proteins and nucleic acids dictate essential biological processes allowing life to function. They are involved in a vast number of cellular tasks including DNA replication, genetic recombination, transcription and translation, as well as signalling, translational motion, structure formation, biochemical synthesis, immune response, and many more. Developed over billions of years by evolution they constitute fine-tuned networks modulated by temperature and regulatory mechanisms. A better understanding of the thermodynamic fundamentals of inter- and intramolecular conformational changes can shed light on the underlying processes of diseases and enables the transfer of biological architectures, properties and compositions to nanotechnological applications. Dynamics of biomolecules occur on a wide range of timescales covering more than twelve orders of magnitude. Fluorescence spectroscopy techniques like time-correlated single photon counting (TCSPC), fluorescence correlation spectroscopy (FCS), and immobilized and freely diffusing single-molecule Förster resonance energy transfer (FRET) spectroscopy represent powerful tools monitoring the dynamics at different ranges within this large span of timescales. However, a unified approach covering all biological relevant timescales remains a goal in the field of fluorescence spectroscopy. This would comprise a methodological workflow for qualitative and quantitative analysis of biomolecular dynamics ranging from nanoseconds to hours. In this work, a custom built single-molecule fluorescence spectroscopy set-up was constructed combining confocal single-molecule FRET spectroscopy with TCSPC, FCS and fluorescence anisotropy techniques for multiparameter fluorescence detection (MFD). The set-up allows the complementary observation of single-molecules over an extensive timescale ranging from fast reconfiguration dynamics of polymers (nanoseconds) to slow membrane protein folding (hours) without the need of molecular synchronization. Freely diffusing molecules enable high throughput measurements in heterogeneous membrane-mimetic and denaturing environments. Additionally, routines for data acquisition and processing were developed followed by the elaboration of a methodological workflow for the qualitative and quantitative analysis of biomolecular dynamics. Finally, the applicability was demonstrated on a big diversity of biological systems (DNA hairpin, Holliday junction, soluble and membrane proteins) in aqueous, membrane-mimetic and denaturing environments covering conformational dynamics from nanoseconds to hours.:Chapter 1: Introduction Chapter 2: Dynamics of Biomolecules 2.1 Dynamics of Nucleic Acids 2.1.1 DNA Hairpin Dynamics 2.1.2 Dynamics of Holliday Junctions 2.2 Dynamics of Proteins 2.2.1 Model Systems of Protein Folding Chapter 3: Fundamentals of Fluorescence Spectroscopy 3.1 Basics of Fluorescence 3.2 Förster Resonance Energy Transfer (FRET) Chapter 4: Multiparameter Fluorescence Detection 4.1 Single-Molecule FRET Spectroscopy 4.1.1 Confocal Microscopy 4.1.2 Freely Diffusing Molecules 4.1.3 Fluorescence Spectroscopy 4.2 Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) 4.3 Pulsed Interleaved Excitation (PIE) 4.4 Fluorescence Anisotropy 4.5 Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) 4.6 MFD Setup 4.7 Analysis Software Chapter 5: Analysis of Molecular Dynamics 5.1 Sub-Microseconds – Peptide Chain Dynamics 5.1.1 Identification of Peptide Chain Dynamics 5.1.2 Quantification of Peptide Chain Dynamics 5.1.3 Discussion 5.2 Microseconds – Dynamics of Barrier Crossing 5.2.1 Maximum Likelihood Estimation of the Transition-Path Time 5.2.2 Quantification of the Upper Bound of the Transition-Path Time 5.2.3 Discussion 5.3 Milliseconds – Fast Protein Folding Dynamics 5.3.1 Correlation of the Relative Donor Lifetime (τD(A) / τD(0)) with FRET Efficiency (E) 5.3.2 Burst-Variance Analysis (BVA) 5.3.3 FRET-Two-Channel Kernel-Based Density Distribution Estimator (FRET-2CDE) 5.3.4 Estimation of the Conformational Relaxation Rate using Bin-Time Analysis 5.3.5 Extracting Folding Kinetics using the Three-Gaussian (3G) Approximation 5.3.6 Dynamic Probability Distribution Analysis (dPDA) 5.3.7 Folding and Unfolding Rate Estimation using a Maximum-Likelihood Estimator 5.3.8 Discussion 5.4 Milliseconds to Seconds – Stacking Dynamics of DNA 5.4.1 Identification of Dynamics on the Recurrence Timescale 5.4.2 Quantification of Dynamics on the Recurrence Timescale 5.4.3 Discussion 5.5 Minutes to Hours – Slow Protein Folding Dynamics 5.5.1 Identification of Slow Protein Folding Dynamics 5.5.2 Quantification of Slow Protein Folding Dynamics 5.5.3 Discussion Chapter 6: Conclusion and Outlook Chapter 7: Appendices 7.1 Derivation of Equation 4.6 (inspired by Daniel Nettels) 7.2 Protein sequences 7.3 Identification of dynamics on the recurrence timescale 7.4 Dependency of psame on the sample concentration 7.5 Effect of fluorescence quenching on MFD parameters Chapter 8: References / Biomoleküle, wie Proteine und Nukleinsäuren, sind essentielle Bausteine des Lebens und permanent an biologischen Prozessen beteiligt. Innerhalb der Zelle nehmen sie eine Vielzahl von Aufgaben wahr, darunter DNA-Replikation, genetische Rekombination, Transkription und Translation, sowie Signalübertragung, Transport, Strukturbildung, biochemische Synthese und Immunreaktion. In Milliarden von Jahren evolutionärer Entwicklung wurden biomolekulare Prozesse immer feiner aufeinander Abgestimmt. Um den zugrundeliegenden Mechanismus von Krankheiten besser zu Verstehen und um die einzigartigen Eigenschaften und Kompositionen biologischer Systeme auf nanotechnologische Anwendungen übertragen zu können, ist es unbedingt notwendig ein besseres Verständnis thermodynamischer Grundlagen inter- und intramolekularer Konformationsänderungen zu erlangen. Dabei finden sich Dynamiken von Biomolekülen über eine Zeitskale von mehr als zwölf Größenordnungen verteilt. Fluoreszenzspektroskopietechniken, wie zeitkorrelierte Einzel-photonenzählung (TCSPC), Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS), und Förster-Resonanzenergietransfer (FRET)–Spektroskopie von immobilisierten und frei diffundierenden Molekülen, stellen leistungsfähige Werkzeuge dar, welche es ermöglichen Dynamiken in der den Techniken entsprechenden Zeitskala aufzulösen. Dennoch, besteht der dringende Bedarf nach einer einheitlichen Methode, der in der Fluoreszenzspektroskopie alle biologisch relevanten Zeitskalen abdeckt. Dies würde einen methodischen Workflow für die qualitative und quantitative Analyse der biomolekularen Dynamik von Nanosekunden bis Stunden bedeuten. In dieser Arbeit wurde ein speziell angefertigter Multiparamter-Fluoreszenzspektroskopie-Aufbau konstruiert, welcher die konfokale Einzelmolekül-FRET-Spektroskopie mit den TCSPC-, FCS- und Fluoreszenz-Anisotropie-Techniken kombiniert. Der Aufbau ermöglicht die Beobachtung komplementärer Eigenschaften von Einzelmolekülen über eine umfangreiche Zeitskala hinweg. Dynamiken von schnell rekonfigurierenden Polymeren (Nanosekunden) bis hin zu langsam faltenden Membranproteinen (Stunden) sind ohne molekulare Synchronisation möglich. Darüber hinaus, ermöglicht der Einsatz frei diffundierender Moleküle einen hohen Messdurchsatz und die Anwendung heterogener membranmimetischer und denaturierender Lösungen. Zusätzlich wurden Routinen zur Datenerfassung und -verarbeitung entwickelt, gefolgt von der Ausarbeitung eines methodischen Workflows zur qualitativen und quantitativen Analyse von biomolekularen Dynamiken. Abschließend wurde die Anwendbarkeit an fünf biologischen Modelsystemen (DNA-Haarnadel, Holliday-Junction, lösliche und Membranproteine) in wässrigen, membranmimetischen und denaturierenden Umgebungen demonstriert und alle biologisch relevanten Zeitskalen von Nanosekunden bis Stunden abgedeckt.:Chapter 1: Introduction Chapter 2: Dynamics of Biomolecules 2.1 Dynamics of Nucleic Acids 2.1.1 DNA Hairpin Dynamics 2.1.2 Dynamics of Holliday Junctions 2.2 Dynamics of Proteins 2.2.1 Model Systems of Protein Folding Chapter 3: Fundamentals of Fluorescence Spectroscopy 3.1 Basics of Fluorescence 3.2 Förster Resonance Energy Transfer (FRET) Chapter 4: Multiparameter Fluorescence Detection 4.1 Single-Molecule FRET Spectroscopy 4.1.1 Confocal Microscopy 4.1.2 Freely Diffusing Molecules 4.1.3 Fluorescence Spectroscopy 4.2 Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) 4.3 Pulsed Interleaved Excitation (PIE) 4.4 Fluorescence Anisotropy 4.5 Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) 4.6 MFD Setup 4.7 Analysis Software Chapter 5: Analysis of Molecular Dynamics 5.1 Sub-Microseconds – Peptide Chain Dynamics 5.1.1 Identification of Peptide Chain Dynamics 5.1.2 Quantification of Peptide Chain Dynamics 5.1.3 Discussion 5.2 Microseconds – Dynamics of Barrier Crossing 5.2.1 Maximum Likelihood Estimation of the Transition-Path Time 5.2.2 Quantification of the Upper Bound of the Transition-Path Time 5.2.3 Discussion 5.3 Milliseconds – Fast Protein Folding Dynamics 5.3.1 Correlation of the Relative Donor Lifetime (τD(A) / τD(0)) with FRET Efficiency (E) 5.3.2 Burst-Variance Analysis (BVA) 5.3.3 FRET-Two-Channel Kernel-Based Density Distribution Estimator (FRET-2CDE) 5.3.4 Estimation of the Conformational Relaxation Rate using Bin-Time Analysis 5.3.5 Extracting Folding Kinetics using the Three-Gaussian (3G) Approximation 5.3.6 Dynamic Probability Distribution Analysis (dPDA) 5.3.7 Folding and Unfolding Rate Estimation using a Maximum-Likelihood Estimator 5.3.8 Discussion 5.4 Milliseconds to Seconds – Stacking Dynamics of DNA 5.4.1 Identification of Dynamics on the Recurrence Timescale 5.4.2 Quantification of Dynamics on the Recurrence Timescale 5.4.3 Discussion 5.5 Minutes to Hours – Slow Protein Folding Dynamics 5.5.1 Identification of Slow Protein Folding Dynamics 5.5.2 Quantification of Slow Protein Folding Dynamics 5.5.3 Discussion Chapter 6: Conclusion and Outlook Chapter 7: Appendices 7.1 Derivation of Equation 4.6 (inspired by Daniel Nettels) 7.2 Protein sequences 7.3 Identification of dynamics on the recurrence timescale 7.4 Dependency of psame on the sample concentration 7.5 Effect of fluorescence quenching on MFD parameters Chapter 8: References

Enfermer le porteur de l’information génétique dans le noyau a obligée la cellule a créé un système de transport complexe, qui permet l’export d’un ARNm du noyau au cytoplasme. Le mécanisme général de l’export des ARNm est encore mal connu, même si les facteurs principaux ont été découverts il y a longtemps. De récents progrès en microscopie nous ont permis d’étudier directement le comportement des ARNm durant le processus d’export. Durant ma maitrise, nous avons été capables de localiser et suivre des ARNm en temps réel pour la première fois chez Saccharomyces cerevisiae. Nous avons créé un gène rapporteur en mettant le gène GLT1 sous le contrôle du promoteur GAL1. Nous avons aussi marqué l’ARNm de GLT1 avec plusieurs boucles PP7. L’ARNm sera visible après l’attachement de plusieurs protéines PP7-GFP aux boucles. En utilisant la technique d’imagerie en cellules vivantes, nous sommes capable de visualiser et suivre chaque ARNm, depuis son relâchement du site de transcription jusqu’à l’export. Une fois relâché du site de transcription, l’ARNm diffuse librement dans le nucléoplasme, mais une fois à la périphérie nucléaire, il commence à « scanner » l’enveloppe nucléaire avant d’être exporté. Nous avons trouvé que le « scanning » dépend de la présence des Myosin Like Proteins (Mlp1p et Mlp2p), protéines qui forment le panier nucléaire, car suite à la délétion de MLP1 et MLP2, les ARNm n’étaient plus capable de « scanner ». Nous avons également trouvé que la partie C-terminale de Mlp1p était nécessaire au « scanning ». De plus, suite à la délétion du gène TOM1, gène codant pour une ubiquitine ligase, les ARNm ont un comportement similaire aux ARNm d’une souche ∆mlp1/mlp2, suggérant que le « scanning » permet à Tom1p d’ubiquitiner Yra1p, ce qui causera son relâchement de l’ARNm. Également, nous avons montré que les ARNm endogènes MDN1 et CBL2 scannent aussi la périphérie nucléaire. Ensemble, nos résultats suggèrent que le scanning est un processus par lequel passent tout les ARNm nucléaire lorsqu’ils se retrouvent à la périphérie du noyau, pour initier plusieurs étapes de réarrangements nécessaires à leurs export. De plus, nous avons examiné le rôle de Yhr127p, une protéine nouvellement identifiée qui se lie à l’ARN. Après avoir marqué cette protéine avec la GFP, nous avons montré qu’elle forme des foci dans le noyau et que ces derniers vont disparaitre suite à l’arrêt de la transcription. La délétion de YHR127 à conduit à une augmentation de la transcription de quelques gènes spécifiques, mais n’affecte pas la capacité de la cellule à exporter les ARNm. Nos résultats suggèrent que cette protéine joue un rôle dans la régulation de la transcription et/ou dans la stabilité de l’ARNm. / In eukaryotic cells, the processes of RNA and protein synthesis are spatially separated into two distinct compartments. With this division, a complex pathway of nucleocytoplasmic RNA export has evolved, which to date remains poorly understood. Recent advances in single-molecule microscopy have enabled direct studies focused on investigating the dynamics and kinetics of RNA export. In this Master thesis, we present the first real time visualization of mRNA export in the yeast Saccharomyces cerevisiae. We first generated a GLT1 reporter under the control of the inducible GAL1 promoter, in which the GLT1 mRNA was tagged with an array of PP7 repeats and detected by exogenous PP7-GFP binding protein. Using a single-molecule live cell imaging approach, we were able to visualize and track the behavior of individual mRNAs from the site of transcription to the point of export. Interestingly, we found that once released from the transcription site, single mRNAs diffuse freely in the nucleoplasm, but once they reach the nuclear periphery, they scan the periphery before being exported to the cytoplasm. This scanning behavior was dependent on Myosin Like Proteins (Mlp1p and Mlp2p), which form the basket of the Nuclear Pore Complex (NPC), as mRNAs were not retained at the periphery and were rapidly released into the nucleoplasm in mlp1p/mlp2p double mutant cells. Specifically, we found that the C-terminal part of Mlp1p was important for scanning. Furthermore, mRNAs from cells depleted of the E3 ubiquitin ligase TOM1 had a similar phenotype to mRNAs in mlp1p/mlp2p double mutant cells, suggesting a role for scanning in the Tom1p-mediated release of Yra1p from the RNA. Lastly, we confirmed that endogenous MDN1 and CBL2 mRNAs also exhibit scanning behaviour. Taken together, our results suggest that mRNAs scanning the nuclear periphery is a general behaviour for all mRNAs to initiate the mRNA export process, allowing mRNP arrangement required for export to occur at the nuclear periphery. In addition, we investigated the role of YHR127, a newly identified RNA binding protein, in RNA biogenesis. Notably, we show that GFP-tagged YHR127p formed distinct foci in the nucleus, which were lost upon transcription arrest. Deletion of YHR127 led to an increase in transcript levels of specific genes, but not to a global accumulation of mRNAs in the nucleus, suggesting a role for this protein in regulating transcription and/or mRNA stability.

HIV-NC is a multifunctional protein which plays an important role in almost every step of the retroviral life cycle. NC is essential in catalyzing stand transfers of HIV-1 reverse transcription, including the annealing of the transactivation response element (TAR) of the viral genome to the complementary TAR DNA in minus-strong-stop DNA. In this dissertation, the research starts with focus on elucidating the reaction mechanism of NC-facilitated TAR DNA/RNA annealing using single molecule spectroscopy (SMS) approaches. The results indicate that nucleation of TAR DNA/RNA annealing occurs in an encounter complex form in which one or two DNA/RNA strands in the partially open “Y” form associated with multiple NC molecules. This encounter complex leads to annealing through the 3’/5’ termini, namely “zipper” pathway and the annealing through the hairpin loop region, namely “kissing” pathway. By employing target oligonucleotides for specific TAR regions, we directly probed kinetic reversibility and the chaperone role of NC. Concentration-dependence of NC chaperoned melting and annealing of TAR hairpins was investigated and the results further support the proposed reaction mechanism. Additionally, we used a single-stranded DNA (ssDNA) as model to study ssDNA conformational change upon NC binding. Here we present observation of NC binding to d(TG)n and d(T)n, including NC effect on flexibility and conformation of these oligonucleotides chains. Our results reveal that the rigidity of ssDNA chain is dramatically reduced through interaction with NC. Meanwhile the results of NC dissociation experiments indicate the interaction of NC/ssDNA is complex and heterogeneous. Finally, we used SMS in vitro to systematically compare and contrast the RNA/protein interactions for the zinc-finger-binding-motif protein (NC) and the arginine-rich-binding-motif (ARM) protein (Tat) encoded by HIV-1. Tat and NC use different RNA binding motifs to recognize and interact with RNA hairpin, giving rise to very different changes in the RNA secondary structure upon protein binding. Competition experiments show that the presence of Tat can effectively inhibit the NC binding-induced local melting of TAR RNA hairpins. These results indicate that Tat specifically binds and stabilizes the TAR RNA hairpin structure, which likely inhibits the local melting of the hairpin induced by NC. / text

The covalent chemistry of individual reactants bound within a protein nanopore can be monitored by observing the ionic current flow through the pore, which acts as a nanoreactor responding to bond-making and bond-breaking events. However, chemistry investigated in this way has been largely confined to the reactions of thiolates, presented by the side chains of cysteine residues. The introduction of unnatural amino acids would provide a large variety of reactive side chains with which additional single-molecule chemistry could be investigated. An efficient method to incorporate unnatural amino acid is semisynthesis, which allows site-specific modification with a chemically-defined functional group. However, relatively little work has been done on engineered membrane proteins. This deficiency stems from attributes inherent to proteins that interact with lipid bilayer, notably the poor solubility in aqueous buffer. In the present work, four different derivatives α-hemolysin (αHL) monomer were obtained either by two- or three-way native chemical ligation. The semisynthetic αHL monomers were successfully refolded to heptameric pores and used as nanoreactors to study single-molecule chemistry. The semisynthetic pores show similar biophysical properties to native αHL pores obtained from an in vitro transcription and translation technique. Interestingly, when αHL pores with one semisynthetic subunit containing a terminal alkyne group were used to study Cu(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition, a long-lived intermediate in the reaction was directly observed.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les mécanismes moléculaires d'assemblage et de bourgeonnement des virus tels que le VIH-1 dans les cellules infectées sont encore relativement mal connus. Toutefois, il semble établi que la multimérisation de la protéine Gag s'effectue à la membrane plasmique et que le bourgeonnement des particules virales a lieu au niveau de zones enrichies en tétraspanines. Ces protéines transmembranaires forment un réseau d'interactions protéiques à la surface de la cellule et s'organisent en microdomaines différents des radeaux lipidiques, bien qu'enrichis en cholestérol.En utilisant la technique de suivi de molécules uniques fluorescentes sur des cellules HeLa exprimant la protéine Gag, l'objectif de mon travail de thèse était d'abord de déterminer l'influence de l'assemblage et le bourgeonnement de pseudoparticules virales sur la dynamique et la répartition membranaires des tétraspanines CD9 et CD81. Nos résultats renforcent l'émergence d'un nouveau concept, selon lequel les composants cellulaires et viraux, plutôt que de se regrouper au niveau de plateformes membranaires préexistantes, s'organisent en structures de taille croissante où les tétraspanines sont peu à peu concentrées avec leurs partenaires pour former une architecture propice à l'assemblage et la sortie du VIH-1.Par ailleurs, nous avons montré que CD81 était plus confiné et moins dynamique que CD9 et avons donc étudié les mécanismes moléculaires expliquant cette différence de comportement membranaire. L'utilisation du pistage en molécule unique couplé à des marquages d'ensemble, l'emploi de protéines chimériques et de drogues spécifiques ont permis de révéler que la dynamique membranaire de CD81 est restreinte par le réseau d'actine, via l'ezrine, mais implique aussi EWI-2 et CD9P-1, deux partenaires membranaires de CD9 et de CD81. Enfin, cette étude montre que cette interaction avec le cytosquelette est impliquée dans le recrutement de CD81 et indirectement de CD9, lors de l'assemblage du VIH. / Molecular mechanisms of assembly and budding of HIV-1 particles in infected cells are still a matter of debate. However it is now well established that Gag assembly occurs at the plasma membrane and that budding involves tetraspanin-enriched areas. Tetraspanins are transmembrane proteins that form a network of protein interaction at the cell surface organized into microdomains enriched in cholesterol but distinct from rafts.Using single molecule tracking of fluorescent markers with Gag-expressing HeLa cells, the aim my PhD thesis was first to determine the influence of Gag assembly and budding of pseudo particles on the dynamics and partitioning of the tetraspanins CD9 and CD81 at the plasma membrane. Our results support an emerging concept that cellular and viral components, instead of clustering at preexisting microdomains or platforms, direct the organization of growing structures where tetraspanins are more and more concentrated with their partners, in order to form a membrane scaffold that helps HIV-1 assembly and egress.In a second work, we showed that CD81 is more confined and less dynamic than CD9, and tried to clarify the molecular mechanisms involved in this differential behavior at the plasma membrane. Single molecule tracking, in addition to ensemble labeling experiments, CD9/CD81 chimeric proteins, as well as specific drugs, demonstrated that CD81 membrane dynamics is restricted by the actin network through ezrin proteins, but also implicates EWI-2 and CD9P-1, primary partners of CD9 and CD81. Finally, this study reveals that this interaction with the cytoskeleton is in part responsible of the recruitment of CD81 and indirectly of CD9 during HIV-1 assembly.

Les nanotubes de carbone (CNT) à basse température se comportent comme des points quantiques pour lesquelles les niveaux électroniques deviennent quantifiés. Le transport électronique à travers une jonction-CNT est caractérisé par le phénomène de blocage de Coulomb, dont les spécificités dépendent du couplage entre le nanotube et les électrodes métalliques. Le blocage de Coulomb est extrêmement sensible au moindre changement électrostatique, faisant des jonctions-CNT de précis électromètres. Par exemple, si l'on couple un système magnétique à un nanotube, le transport électronique sera influencé par l'état de spin du système magnétique (effet magnéto-Coulomb). Ce projet de thèse présente des mesures de transport électrique sur un système hybride se composant d'un nanotube de carbone rempli de nanoparticules magnétiques (Fe). Ces mesures, réalisées à très basses températures (40 mK), ont permis de mettre en évidence le comportement hystérétique de la conductance en fonction du champ magnétique, et en particulier la présence de saut de conductance à champ magnétique fini. Nous expliquons ces résultats en termes d'effet magnéto-Coulomb : le renversement d'aimantation des particules de fer à champ magnétique fini provoquant une variation de charge effective due à l'effet Zeeman. Ces mesures sont une étape vers l'étude de l'anisotropie magnétique de nanoparticules individuelles. / Carbon Nanotubes at low temperature behave as Quantum Dots for which charging processes become quantized, giving rise to Coulomb Blockade depending upon the coupling to the leads. Any small change in the electrostatic environment (tuned by the gate electrode) can induce shift of the stability diagram (so called Coulomb Diamonds) of the device, leading to conductivity variation of the Quantum Dot. A carbon nanotube can therefore be a very accurate electrometer. For example, if a magnetic system is electronically coupled to a nanotube, its electron conduction may be influenced by the spin state of the magnetic system (magneto- Coulomb effect). In this thesis, we report on the electrical transport measurements of such hybrid systems where a carbon nanotube is filled with magnetic nanoparticles such as Iron(Fe). We find that low-temperature (~40mK) current-voltage measurements of such devices can show a hysteretic behaviour in conductance with sharp jumps at certain magnetic fields. We explain the results in terms of the magneto-Coulomb effect where the spin flip of the iron island at non-zero magnetic field causes an effective charge variation in the Nanotube due to the Zeeman energy. Our studies are a step forward towards the study of the magnetic anisotropy of individual nanoparticles. We believe our findings have important implications for sensitive magnetic detectors to study the magnetization reversal of individual magnetic nanoparticle or molecule, even weakly coupled to a carbon nanotube.

Ce mémoire rapporte deux approches de la synthèse des protéines à l'échelle de la molécule unique. Nous utilisons la microscopie de fluorescence en onde évanescente pour sonder l'activité traductionnelle de deux types de ribosomes. Les premiers, issus d'E. Coli (organisme procaryote), sont mutés afin de les marquer d'un nanocristal semiconducteur (QD). La fin de la traduction, qui correspond au décrochage du ribosome de l'ARNm lorsque celui-ci atteint le codon stop, est alors mise en évidence par la disparition du QD de la surface de l'échantillon. Le deuxième type de ribosome étudié est quant à lui extrait de cellules de lapins (organisme eucaryote) et est dit "sauvage", c'est à dire qu'il n'a pas subi de modification, tandis qu'un oligonucléotide marqué d'un fluorophore est hybridé à l'ARNm. L'activité hélicase du ribosome lui permettant de séparer deux brins complémentaires, l'oligonucléotide et donc le fluorophore disparaissent en même temps que le ribosome parcourt l'ARNm, permettant ainsi de sonder l'activité du ribosome. Nous donnons pour ces deux types de ribosomes une vitesse moyenne de la traduction dans des milieux contenant les facteurs de la traduction issus d'extraits cellulaires.La deuxième approche de la synthèse des protéines porte sur les propriétés de l'ARNm, support de l'information génétique codant pour la séquence des protéines. Nous avons développé un montage de pince optique permettant de manipuler et caractériser les propriétés mécaniques d'oligonucléotides, ainsi qu'une méthode originale de calibration de ce piège optique. La cohérence de nos mesures sur l'étirement d'un double brin d'ADN avec la littérature nous permettra de poursuivre notre étude sur la mesure des forces nécessaires pour ouvrir une structure secondaire de l'ARNm. / We hereby report two approaches of the protein synthesis at the single molecule level. We use total internal reflection fluorescence microscopy to study the translation kinetic of two different types of ribosomes. The first ones, extracted from E. Coli (prokaryotic organism), are mutated in order to label them with a quantum dot (QD). The end of translation, which corresponds to the dissociation of the ribosome from the mRNA when the stop codon has been reached, is highlighted by the disparition of the QD from the surface. The second type of ribosome is extracted from rabbit cells (eukaryotic organism) and has not been modified (wild type), while a labeled oligonucleotide is hybridized on the mRNA. The helicase activity of the ribosome allowing the dissociation of two complementary strands, the oligonucleotide and so the label disappear at the same time while the ribosome moves along the mRNA and thus inform us about its activity. For these two types of ribosomes we measure their average translation speed in cell extracts.The second approach focuses on the properties of the mRNA, carrying the genetic code for the protein sequence. We developped an optical tweezer setup in order to manipulate and characterize the mechanical properties of nucleotides, as well as an original method to calibrate this optical trap. The consistency of our measurements with the litterature on the properties of a double stranded DNA will allow us to study secondary structures of mRNA.

La quantification du protéome à très haute sensibilitée n’est actuellement pas réalisable, et est un problème pour l’analyse de cellule isolée, d’échantillon rare ou pour la détection de protéine de faible abondance. Afin d’améliorer la sensibilité, une idée est d’utiliser un microscope capable de détecter des protéines individuellement. Il faut pour cela dans un premier temps mesurer la proportion du protéome actuellement marquée par une sonde fluorescente afin de pouvoir faire des mesures quantitatives. Avec des conditions dénaturantes et la détection des amines, on arrive à marquer jusqu’à 75% du protéome d’un lysat cellulaire, avec un marquage plus efficace quand la protéine est de grande taille. Dans un deuxième temps, il faut séparer par la taille le protéome afin de réaliser un profil protéique. Si la puce microfluidique ne permet pas la réalisation d’un profil avec une résolution, le micro SDS-PAGE en est capable en permettant également l’observation du profil par microscopie, autorisant la détection jusqu’à 10 ng de protéines par bande et ainsi permettant d'obtenir un profil à partir de seulement 100 cellules. Cette sensibilité a permis l’identification de quatre lignées cellulaires de cancer du sein, avec un fort potentiel pour une application pour le diagnostic de cellule cancéreuse provenant de petite biopsie, plus facile pour le patient. / Proteomic quantification at very high sensitivity is not achieved yet, even if they are a need to realize this quantification for the analysis of uncommon samples at a single cell level, or for the detection of low abundance protein. To improve this sensitivity, one way is to use a microscope able to detect single-molecule. In this optic, the first step to enable precise quantification is to measure the proportion of the proteome that is labeled by a fluorescent probe. When using strong denaturant conditions combined with a probe able to detect the amine of the protein, we are able to label up to 75% of the proteome from a cell lysate, with an increase in the labeling efficiency when the protein is bigger. The second step necessitates the protein separation by size in order to realize a proteome profile. Two technics were used for that, the microfluidic chip and the micro SDS-PAGE. The second one enables the possibility to scan the profile by microscopy, allowing the detection of up 10 ng of protein and then permits the analysis of only 100 cells. This sensitivity enables the differentiation of 4 different proteome profiles from cell lines originated from breast cancer, with a potential in the diagnostic of cancer cell from a smaller biopsy, allowing a less painful experience for the patient.