Single-walled carbon nanotubes are naturally-forming nanostructures that have attracted considerable recent research interest due to their unique opto-electronic properties and comparative ease of fabrication. Two-thirds of nanotube species are semiconductors due to symmetry conditions imposed by their pseudo-one-dimensional tubular structure, and exhibit band-gap photoluminescence when isolated from their environment. Despite their elegant structural simplicity, fundamental properties of carbon nanotubes, such as their intrinsic quantum efficiency, non-linear excitonic recombination mechanisms, and the role of environmental effects, continue to be disputed in the literature. The design of an apparatus capable of observing nanotube photoluminescence is presented, along with conclusive proof of the observation of a single (9,8)-chirality nanotube in the form of spectral, spatial, and polarization-dependent measurements. The dependance of the excitation and emission spectra of a single nanotube on the excitation intensity is explored and the emission spectra found to be described by a Gaussian peak function, in contrast to previously-reported results. The unexpected ability to cause redshifts in the emission spectrum via the ambient humidity is discovered, which has consequences on experimental best practices. Photoluminescence quantum efficiencies are measured to be 4±2% and 13±6% for two different nanotubes. This is at the high end of the range for comparable literature results, and supports the validity of a recent literature value for the effective atomic absorption coefficient for carbon, AC=1.6×10^−3nm^2, which is ten times greater than previous literature values. Pulsed power dependence studies show that the PL emission undergoes ‘hard’ saturation at an excitation intensity of 0.5×10^12photons/pulse/cm2, which is at least 100 times lower than previous reports and provides insight into non-linear decay dynamics. A novel theoretical model is developed to explain this saturation process, which yields an absorption co-efficient of AC=1.2±0.3×10^−3nm^2 as a fit parameter. Time-resolved photoluminescence dynamics are explored using femtosecond excitation correlation spectroscopy. Results suggest that the one-body decay processes are bi-exponential, with time constants of 31±4ps and 313±61ps, but also highlight the limitations of this technique in observing the expected very rapid (~1 ps) two-body Auger recombination process. / Thesis (Master, Physics, Engineering Physics and Astronomy) -- Queen's University, 2008-09-26 16:23:40.81

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

Röntgenlicht-Freie-Elektronen-Laser (XFEL) schaffen neue Möglichkeiten für die molekulare Strukturbestimmung in Einzelmolekülexperimenten. In dieser Arbeit stelle ich zwei alternative bayessche Verfahren vor, das Orientational Bayes und das Structural Bayes Verfahren, die das Extrahieren der Strukturinformationen aus dünn besetzten und verrauschten Streuungsbildern ermöglichen. Im ersten Verfahren wird ein "Seed"-Modell verwendet, um die zugrunde liegende molekulare Orientierung für jedes aufgezeichnete Streuungsbild separat zu bestimmen. Eine verbesserte molekulare Transformation der bestrahlten Moleküle wird durch Ausrichten und Mitteln dieser Bilder im dreidimensionalen reziproken Raum erhalten. Im Structural Bayes Verfahren wird ein Realraum-Strukturmodell optimiert, sodass es am besten zum gesamten Streuungsbildersatz passt. Auf diese Weise wird ermöglicht, zwischen verschiedenen Strukturmodellen zu unterscheiden. Ich habe die Auflösung bei der Abbildung einzelner Moleküle mit unterschiedlichen Massen für verschiedene XFEL Strahlintensitäten abgeschätzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die erreichbare strukturelle Auflösung mit der Molekülmasse wie M^{-1/ 6} steigt. Laut dieser Skalierung ist hierbei, im Gegensatz zur traditionellen Röntgenkristallographie, die hochaufgelöste Strukturbestimmung kleiner Einzelmoleküle, im Vergleich zu großen Molekülen, schwieriger. Als Machbarkeitsnachweis des Orientational Bayes Verfahrens wurde beispielhaft die Elektronendichte eines Glutathion-Moleküls aus 20.000 synthetischen Streuungsbildern, mit durchschnittlich 82 aufgezeichneten elastisch gestreuten Photonen und bis zu 50% zusätzlichem Hintergrundrauschen pro Bild, berechnet. Um die Anwendbarkeit des Structural Bayes Verfahrens in einer de novo Strukturbestimmung zu testen, wurde zudem die Struktur des Glutathion-Moleküls in einer Monte Carlo-Verfeinerungs-Simulation gelöst, für die zufällige Aminosäure-Konformationen als Ausgangsmaterial verwendet wurden. Um zusätzlich zu prüfen, ob mehrere Längenskalen umfassende Strukturänderungen in einem komplexen Molekül unter Verwendung des Structural Bayes Verfahrens rückverfolgbar sind, wurden Konformationsänderungen von drei Immunglobulin-Domänen eines Titin-Moleküls sowie der tRNA-Translokationsvorgang im Ribosom untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist sowohl zwischen unterschiedlichen molekularen Konformationen zu unterscheiden als auch kleinere strukturelle Änderungen, die mit der tRNA-Translokation assoziiert sind, zu erkennen. Insgesamt betrachtet deuten die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass sich mithilfe der beiden hier vorgestellten bayesschen Verfahren die Struktur einzelner Moleküle mit atomarer Auflösung von dünn besetzten und verrauschten Röntgenstreuungsbildern aus XFEL-Einzelmolekülexperimenten für ein breites Spektrum von Molekülmassen bestimmen lässt.

Hydrophobic interactions guide important molecular self-assembly processes such as protein folding. On the macroscale, hydrophobic interactions consist of the aggregation of "oil-like" objects in water by minimizing the interfacial energy. However, the hydration mechanism of small hydrophobic molecules on the nanoscale (~1 nm) differs fundamentally from its macroscopic counterpart. Theoretical studies over the last two decades have pointed to an intricate dependence of molecular hydration mechanisms on the length scale. The microscopic-to-macroscopic cross-over length scale is critically important to hydrophobic interactions in polymers, proteins and other macromolecules. Accurate experimental determination of hydration mechanisms and their interaction strengths are needed to understand protein folding. This thesis reports the development of experimental and analytical techniques that allow for direct measurements of hydrophobic interactions in a single molecule. Using single molecule force spectroscopy, the mechanical unfolding of a single hydrophobic homopolymer was identified and modeled. Two experiments examined how hydrophobicity at the molecular scale differ from the macroscopic scale. The first experiment identifies macroscopic interfacial tension as a critical parameter governing the molecular hydrophobic hydration strength. This experiment shows that the solvent conditions affect the microscopic and macroscopic hydrophobic strengths in similar ways, consistent with theoretical predictions. The second experiment probes the hydrophobic size effect by studying how the size of a non-polar side-chain affects the thermal signatures of hydration. Our experimental results reveal a cross-over length scale of approximately 1 nm that bridges the transition from entropically driven microscopic hydration mechanism to enthalpically driven macroscopic hydration mechanism. These results indicate that hydrophobic interactions at the molecular scale differ from macroscopic scale, pointing to potential ways to improve our understanding and predictions of molecular interactions. The system established in this thesis forms the foundation for further investigation of polymer hydrophobicity.

Doctor of Philosophy / Department of Chemistry / Daniel A. Higgins / This dissertation describes the application of wide-field single-molecule fluorescence microscopy techniques to investigations of DNA-surface interactions on chemically graded organosilane surfaces. The adsorption and desorption behaviors of double-stranded (ds) plasmid DNA along the amino-trimethoxysilane and octyl-trichlorosilane gradients were explored as a function of solution pH, solution ionic strength and surface properties. The results provide an improved fundamental understanding of DNA interactions with different surfaces and are certain to aid in the development and advancement of DNA-based biological and biomedical devices. Three distinct experiments were performed in completion of the work for this dissertation. In the first study, total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy was employed to study DNA interactions with aminosilane gradient surfaces under relatively acidic and basic environments. Electrical potentials were applied to assist DNA adsorption and desorption. The single-molecule data clearly showed that DNA capture and release was achieved on the monolayer and submonolayer coated regions of the aminosilane gradient surface under relatively basic pH conditions, with the help of an electrical potential. Meanwhile, DNA adsorption was found to be quasi-reversible on the multilayers at the high aminosilane end of the gradient in the relatively acidic solution. The results of these studies demonstrate the importance of manipulating the electrostatic interactions of DNA with charged surfaces in order to achieve DNA capture and release. The fundamental knowledge of the DNA-surface interactions gained in these studies will be helpful in diverse fields ranging from the layer-by-layer assembly of polyelectrolyte-based thin films to the selective electronic sensing of charged biomolecules. In the second study, the local dielectric properties of the least polar environments in dsDNA were assessed by using the solvatochromic dye, nile red, as a polarity-sensitive probe. TIRF spectroscopic imaging methods were employed in these studies. Although the dielectric constant within the least polar regions of dsDNA was previously predicted by theoretical and computational methods, no experimental measurements of its value had been reported to date. The results provide important knowledge of the factors governing the polarity of DNA microenvironments to which intercalators bind, and provide vital experimental support for the values determined in computational studies. In the third study, TIRF microscopy and single molecule tracking methods were employed to study DNA interactions with an opposed two-component C8-silane and aminosilane gradient surface as a function of solution pH. The mobility of surface-adsorbed DNA molecules was explored and quantified in these studies. The preliminary results further demonstrated the importance of electrostatic interactions over hydrophobic interactions in governing the adsorption of DNA to surfaces. The mobility of surface-adsorbed DNA was found to be largely independent of position along the two-component gradient. These studies were originally undertaken as a route to observation of cooperative effects that are believed to govern DNA-surface binding. Unfortunately, no clear evidence of cooperative effects was observed at the mixed regions of the two-component gradient surface.

Le moteur flagellaire bactérien (BFM) est un complexe moléculaire qui permet aux bactéries de nager dans un milieu liquide. La rotation du moteur est générée à l’interface entre deux éléments clés: les protéines formant le stator (MotA and MoB) et l’anneau C “switching complex” à la base du rotor. Les stators sont des modules du moteur structurellement et fonctionnellement différentiables du reste du moteur, et leurs association et dissociation dynamique autour du rotor contrôle la génération du couple. Quand une protéine fluorescente (PF) est fusionnée à MotB, le moteur est en état de marche mais une réduction générale de la mobilité de la cellule a été observée. La raison précise d’une telle réduction de mobilité n’a pas été étudiée.Le but de cette étude est de comprendre comment la fusion PF de la protéine du stator modifie la génération du couple et le sens de rotation du moteur. C’est particulièrement important car le tag FP se trouve à l’interface entre le stator et le rotor, là où le couple et le changement du sens de rotation sont produits. Trois différentes PFs (eGFP, YPet, Dendra2) ont été fusionnées à la protéine MotB. Malgré la haute similarité de leurs structures, notre analyse a montré que les trois stators fusionnés génèrent des couples différents. Les stators marqués avec YPet produisent un couple moyen similaire au WT (stators sans tag PF), alors que les stators marqués avec eGFP et Dendra2 produisent respectivement 70% et 40% du couple moyen du WT. De plus, les moteurs utilisant les stators fusionnés ont montré des capacités de changement de sens de rotation réduites. Lors d’un changement de sens de rotation, la valeur absolue de la vitesse des moteurs WT ne change pas. Cette “symétrie” de vitesse lors du changement n’apparaît pas avec les moteurs à stators fusionnés et le changement peut être accompagné d’une importante diminution (~30%) de la vitesse absolue.En observant par microcopie TIRF avec détection de molécules uniques, des stators marqués dans un moteur en état de marche, les signaux de fluorescence sont détectés à la membrane comme prévu pour ces protéines, montrant une population de stators diffusant dans celle-ci. Les clusters fluorescents étaient visibles au centre des cellules en rotation, attachés au couvre-glace par une seule flagelle, confirmant que le tag de fluorescence peut être visualisé dans des moteurs en état de marche. Dans un second projet développé dans le laboratoire Bertus Beaumont à TU Delft, en prenant le BFM en tant que système modèle d’évolution expérimentale, sa modularité et son « évolubilité » ont été explorés pour apprendre les détails au niveau moléculaire de l’évolution de ce type de machine. Les stators de E.coli ont été échangés par un set de 21 stators étrangers homologues. L’expérience a révélé que les protéines du stator peuvent être échangées entre espèces de bactéries distantes et certains stators non compatibles peuvent être modifiés positivement par un procédé d’évolution pour devenir fonctionnels. Au cours de cette évolution, les bactéries ont accumulé des mutations avantageuses dans leurs gènes MotA et MotB étrangers, tout particulièrement dans leur domaine fonctionnel. Des mutations identiques dans des stators différents ont été observées, indiquant que l’évolution peut se reproduire. L’analyse fonctionnelle au niveau d’un seul moteur a révélé que ces mutations avantageuses amélioraient la génération du couple et/ou la capacité du moteur à changer de sens. Les investigations détaillées du génotype et du phénotype du BFM modifié par évolution apportés par cette étude, pourraient donner une idée sur la façon dont des machines moléculaires comme le BFM ont évolué, et les effets fonctionnels des mutations bénéfiques qui facilitent l'intégration fonctionnelle. / The bacterial flagellar motor (BFM) is the macromolecular complex which allows bacteria to swim in liquid media. Located at the base of the flagellum, anchored in the cell membrane, this remarkably small (~45nm) yet powerful rotary motor rotates each flagellum of the cell switching between counterclockwise (CCW) and clockwise (CW) direction. The motor rotation is generated at the interface between the two key components of the motor: the stator protein complexes (each composed of 4 MotA and 2 MotB proteins) and the C- ring protein complex at the base of the rotor. The stator complexes are structurally and functionally discernible modules of the motor, and their dynamical association and dissociation around the rotor controls the generation of torque.The first project of this study aims to investigate how the FP tag on the stator protein modifies the torque generation and switching of the motor. This is particularly important because the fluorescent protein tag lies at the interface between stator and rotor, where torque and switching are produced. Three different FPs (eGFP, YPet, Dendra2) were fused to MotB. Interestingly, despite the high similarity of their structures, our analysis revealed that the three fusion stators generate different torque. Furthermore, in the presence of fusion stators, the motor showed significantly impaired switching abilities. When switching direction of the rotation, the absolute value of the speed of WT motors does not change, whereas this symmetry of speed upon switching is not observed in the fusion stator motors, and switching can be accompanied with a significant (~30%) decrease in absolute speed. Both the impaired torque generation and the switching ability were improved by introducing a rigid linker between the stator and the FP tag. Taken together, this study provides a further insight into the dynamics of the stator and rotor interaction at its interface.When the cells carrying the fluorescently labeled stators were observed in a custom made TIRF-fluorescence microscope with single molecule capability, the fluorescence signals were detected as concentrated clusters in the membrane as expected for these membrane proteins around the motors, together with a population of stators diffusing in the membrane. Fluorescent clusters were visible at the center of rotating cells tethered to the glass slide by a single flagellum, confirming that the fluorescent tags can be visualized in functioning motors.In a second project developed in Bertus Beaumont lab at TU Delft, taking BFM as an experimental evolutionary model system, its modularity and evolvability have been explored to learn the molecular details of the evolution of molecular machines. The stators of E.coli have been exchanged by a set of 21 homologue foreign stators. The experiments revealed that the stator proteins can be exchanged between distant bacteria species, and some of the non-compatible stators can be positively modified by evolution to become functional. Those evolved strains accumulated beneficial mutations in their foreign motA and motB genes, especially on their functional domains. Identical mutations in different stators were common, indicating that evolution is repeatable. The functional investigation at the single motor level revealed that those beneficial mutations improved the torque generation and/or the switching ability of the motor. The detailed genotype and phenotype investigations of the evolutionary modified BFM may bring an insight into how molecular machines such as BFM have evolved as well as the functional effects of the beneficial mutations that facilitate functional integration.

Dans la première partie de cette thèse, nous étudions la cinétique de la complexation d'un double brin d'ADN par la protéine NCp7. Pour ce faire, nous étudions l'évolution des propriétés mécaniques de l'ADN au fur et à mesure de sa complexation, en étirant la complexe ADN/NCp7 à l'aide d'un montage de piégeage optique. Nous avons observé que la longueur de persistance du complexe diminue au fur et à mesure de la complexation. En utilisant un modèle statistique décrivant l'évolution de la flexibilité de l'ADN complexé par NCp7. Notre principal résultat est que la fraction//phi de paires de bases ayant réagi n'est pas une fonction linéaire du temps aux faibles //phi. Nous interprétons nos résultats en supposant que l'adsorption de NCp7 sur l'ADN est fortement coopérative. Dans deuxième chapitre, nous décrivons la dynamique de particules sondes dans une suspension vitreuse colloïdale de Laponite. La Laponite est une particule colloïdale discoïdale de 25nm de diamètre et de 0.92 nm d'épaisseur. Nous utilisons une expérience de microscopie en onde évanescente, et suivons le mouvement de particules fluorescentes de latex. Nous imageons ensuite ces particules. Nous montrons que, pour un mouvement possédant une seule échelle de temps caractéristique, elle est simplement une fonction linéaire du temps. Nous obtenons que, quelle que soit leur taille, le mouvement des particules sondes peut être décrit par une succession de deux modes dynamiques, où le mode le plus rapide correspond à la diffusion des particules dans un fluide viscoélastique. / In the first part of this thesis, we study the kinetics of the complexation of a double-stranded DNA byNCp7 protein. To do this, we study the evolution of mechanical properties of DNA and its complexation by stretching the DNA/NCp7 complex with a optical trap. We observed that the persistence length of the complex decreases progressively during the complexation. Using astatistical model we describe the evolution of the flexibility of DNA complexed with NCp7. Our main result is that the fraction phi of base pairs that have reacted is not a linear function of time at low phi.We interpret our results assuming that the adsorption of NCp7 on DNA is highly cooperative. In the second chapter, we describe the dynamics of probe particles in a colloidal glassy suspension of Laponite. Laponite is a colloidal discoidal particle of 25 nm in diameter and 0.92 nm thick. We take advantage of evanescent wave microscopy, and follow the movement of fluorescent latex particles.Then we image these particles. We show that for a movement that has a single characteristic time scale, it is simply a linear function of time. We find that, what ever their size, the motion of probe particles can be described by a succession of two dynamic modes, where the fastest mode corresponds to the diffusion of particles in a viscoelastic fluid.

Spintronique moléculaire : de la vanne de spin à la détection d'un spin unique. Parmi les thématiques qui ont émergé ces dix dernières années, la spintronique moléculaire est intéressante de par son caractère hybride, à la croisée entre l'électronique de spin, l'électronique moléculaire et le magnétisme moléculaire. Dans ce nouveau domaine, on cherche à exploiter les propriétés magnétiques et quantiques des aimants moléculaires pour créer des dispositifs originaux, utiles en spintronique ou en information quantique. Mon projet de thèse s'inscrit dans cette perspective en voulant combiner un transistor à nanotube de carbone avec des aimants à molécule unique, en les couplant par des interactions supramoléculaires. L'objectif est d'observer le renversement magnétique d'une seule molécule par des mesures de transport électronique à travers le nanotube. En effet, le diamètre de ce dernier étant comparable aux dimensions d'un aimant moléculaire, le couplage devrait être suffisamment fort pour en permettre la détection. La réalisation d'un tel dispositif, un défi technique, et la question de savoir s'il était réellement possible de détecter et de caractériser le moment d'une seule molécule ont constitué les deux enjeux majeurs de cette thèse. Une grande partie du travail réalisé porte sur la fabrication du dispositif expérimental par des techniques de micro- et nano-fabrication, ainsi que sur l'optimisation du greffage des aimants moléculaires sur la surface du nanotube. Dans un second temps, nous nous intéressons à l'étude du système et à son comportement à très basse température (100 mK). En effet, la proximité des aimants moléculaires TbPc2 modifie de façon spectaculaire les propriétés de transport d'un nanotube. En particulier, nous présentons la réalisation d'un dispositif dont la réponse est analogue à une vanne de spin classique, où les molécules magnétiques jouent le rôle de polariseur ou d'analyseur de spin. Grâce à ce système, nous avons réussi à affiner nos connaissances sur TbPc2. Entre autres résultats, nous sommes parvenus à isoler et à caractériser le retournement du moment magnétique d'un seul ion de terbium. Enfin, la dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de l'interaction hyperfine au sein du terbium. En réalisant un dispositif qui n'est couplé qu'à deux molécules, nous avons mis en évidence qu'il est possible de réaliser une lecture directe de l'état d'un spin nucléaire unique. / Nowadays, new directions in quantum spintronics aim at transposing the existing concepts and at developing alternative ones with various types of materials, from inorganic to -conjugated organic semiconductors. In this context, single molecule-magnets (SMMs) are interesting candidates to be integrated in molecular spintronics devices. Such devices lead the way for the electronic detection and coherent manipulation of SMMs spin states, exploitable in quantum computation schemes. We developed for this purpose an innovative multi-terminals device based on a carbon nanotube quantum dot, laterally coupled to few SMMs through supramolecular interaction. The conductance of the nanotube is measured at very low temperature (40 mK) and each time one of the SMM magnetic moment reverses, the conductance changes. The latters act on the conduction electron through the QD as spin polarizer and analyzer. This spin-valve effect gives access to the behavior of a single localized spin by standard electrometry We report a full magnetic characterization of a single bis-phthalocyaninato terbium complex (TbPc2). In particular, we performed a detailed study of quantum tunnelling of the magnetization of the Tb electronic moment and we present a read-out technic of the Tb nuclear spin state. These results open up strong perspectives for a coherent manipulation of a single nuclear spin in TbPc2.

Au cours de ces dernières décennies, les cations lanthanides trivalents ont été à l'honneur en matière de haute technologie. Ces éléments sont utilisés dans des applications stratégiques telles que les lunettes optiques et les lasers, les télécommunications, l'éclairage et les écrans, les matériaux magnétiques, les disques durs, les encres de sécurité et les labels de contrefaçon, la catalyse, les biosciences et la médecine, pour n'en citer que quelques exemples. Cet intérêt croissant pour ces métaux fait de la chimie de coordination des éléments 4f un champ de recherche attrayant avec des perspectives presque illimitées. Ainsi la quête de nouveaux matériaux afin d'améliorer le caractère apporté par les éléments 4f au sein de complexes moléculaires n'a cessé de s'intensifier au cours des dernières décennies. Dans ce cadre, la compréhension précise de la relation structure cristalline-propriétés physiques (magnétisme, luminescence) devient primordiale puisqu'elle permet d'améliorer les objets synthétisés. Par conséquent, la conception de nouvelles architectures moléculaires à base d'ions lanthanide se révèle être nécessaire pour élargir la base de données disponibles et ainsi améliorer les connaissances pour ensuite optimiser les applications. Le présent travail de recherche s'insère parfaitement dans cette thématique, à savoir améliorer les connaissances sur les corrélations possibles entre la structure cristalline d'un complexe d'ions lanthanide et ses propriétés. Au cours de cette thèse, différents systèmes moléculaires originaux ont été élaborés et nous nous sommes particulièrement intéressés à la description et la compréhension des propriétés magnétiques et de luminescence. Les complexes ont été construits avec des ligands de type β-dicétone. Ces dernières offrent différents modes de coordinations qui ont permis de mettre en œuvre de nouvelles familles de complexes de lanthanides. Selon les conditions de synthèse, la nuclearité des complexes est contrôlée de [Ln1] à [Ln9]. De même, il a été possible en ajustant les conditions de synthèse de contrôler finement l'environnement des ions lanthanide au sein de ces complexes. Par dopages des clusters à forte nuclearités, nous avons pu exacerber les propriétés de luminescence des composés étudiées. Les édifices dinucléaires, trinucléaires et tétranucléaires présentent quant à eux un comportement de molécule-aimant et certains d'entre eux sont des molécules-aimants avec un moment toroïdal. Enfin, certains de ces complexes peuvent également se comporter comme des matériaux bi-fonctionnels combinant propriété de molécule-aimant et de luminescente. Ainsi l'étude du caractère spectroscopique et magnétique de ces entités nous a permis de rationaliser les propriétés physiques par rapport à la structure / Over the last few decades, lanthanides have been highlighted in high technology. These elements are used in strategic applications such as optical glasses and lasers, telecommunications, lighting and screens, magnetic materials, hard drive, security inks and counterfeit labels, catalysis, biosciences and medicine…This progress makes the coordination chemistry of 4f elements a mature and attractive field of research with almost unlimited perspectives which brings a new perception, a new area to coordination chemistry. The quest for new materials to improve the character provided by the 4f elements is steadily intensifying. In this context, the precise understanding of the structure-property relationship takes an important place, since this latter derives the properties. Consequently, it is still necessary to design new structures to expand the available database and thus improve knowledge and then promote applications. The present work is part of this idea to provide more information on the structure-properties relationship of lanthanide complexes. Indeed, during this thesis different original nuclear systems were developed and we were particularly interested in the description and understanding of the magnetic and luminescence properties. Molecular entities were constructed with β-diketone ligands. The latter offer different modes of coordination that have allowed the design of new families of lanthanide complexes. According to synthesis conditions, the nuclearity of the complexes is controlled from [Ln1] to [Ln9]. By doping the complexes with high nuclearity we were able to exacerbate the luminescence properties of the compounds studied. In regards to magnetism, the dinuclear, trinuclear and tetranuclear structures exhibit a single molecule magnet (SMM) behavior and some are magnet molecules with a toroidal moment. Other such complexes can also behave as bi-functional materials, combining SMM and luminescent property. Thus the study of the spectroscopic and magnetic character of these entities enabled us to rationalize the physical properties with respect to the structure, which is a great advantage in the field of coordination of the lanthanides

La transcriptase inverse (RT) est un hétéro-dimère p66/p51 avec des activités ADN polymérase et ribonucléase H qui jouent un rôle critique dans le cycle viral du VIH-1. La RT convertit l’ARN génomique viral simple brin en ADN proviral double brin dans le cytoplasme de la cellule infectée. L’efficacité de la RT est augmentée par la protéine de la nucléocapside (NC) grâce à son activité chaperonne vis-à-vis des acides nucléiques et/ou une coopération entre les deux protéines. Dans ce travail, nous avons étudié par la technique de smFRET (single molecule Fluorescence Resonance Energy Transfer) les effets de la NC sur l’interaction entre la RT et un substrat d’ADN au niveau de deux sites de pause de la synthèse de l’ADN(+). Nous avons d’abord réalisé et validé le montage de smFRET. Lors de la validation du montage avec des fluorophores Cy3 encapsulés dans des vésicules lipidiques, nous avons mis en évidence deux mécanismes différents entrainant le photoblanchiment du Cy3. Ensuite, après avoir déterminé les propriétés de liaison à l’équilibre de la RT et la NC sur différents substrats amorce/matrice à l’aide de mesures d’ensemble en solution, nous avons confirmé par smFRET que la RT adopte plusieurs conformations sur son substrat d’ADN, incluant celle qui conduit à la polymérisation de l’ADN. En présence de la NC, nous n’avons observé qu’une réorganisation modérée des différentes conformations du complexe RT/substrat. Par contre, une réorganisation beaucoup plus importante est induite par la NC en présence du dNTP, avec une très forte exaltation des conformations compétentes pour la polymérisation. Nous avons également montré que la NC augmente l’efficacité de synthèse de l’ADN au niveau de sites de pause en diminuant ou en augmentant le temps de dissociation du complexe RT/substrat/dNTP selon le type de site de pause. L’ensemble de ces données permet de mieux comprendre les mécanismes polyvalents par lesquels NC facilite l’activité de la RT. / The reverse transcriptase (RT) is a p66/p51 hetero-dimer with DNA polymerase and ribonuclease H activities which plays a critical role in the viral cycle of HIV-1. RT converts the viral genomic RNA to proviral DNA in the cytoplasm of infected cells. The efficiency of RT is increased by the nucleocapsid protein (NC) through its nucleic acids chaperone properties and/or via direct interaction with RT. In the present work, we investigated the effects of NC on the interaction between RT and its DNA substrate attwo pause sites during the synthesis of (+)DNA by using the smFRET (single molecule Fluorescence Resonance Energy Transfer) technique. In a first step, we implemented and validated the smFRET set-up. Within the validation step, using Cy3 fluorophores encapsulated, in lipid vesicles, we monitored the photobleaching of Cy3 dyes and found out that it was governed by two parallel mechanisms. In a second step, we determined the affinity of RT and NC to different primer/template substrates by using steady-state fluorescence. Then, we confirmed by smFRET that RT adopts different conformations on its DNA substrate, including the one that leads to DNA polymerization. In the presence of NC, we observed only a moderate reorganization of the different conformations of RT/substrate complex. However, NC was found to induce a more important reorganization in the presence of dNTP, with a very strong promotion of the polymerization-competent conformations. We also showed that NC increases the efficiency of DNA synthesis at pause sites by either decreasing or increasing the dissociation time of the RT/substrate/dNTP complex, depending on the type of pause site. Together, these data allow us to further elucidate the mechanisms by which NC facilitates the RT.