Neurons connect to their remote targets via axons, which usually survive for the lifetime of an organism. Spatiotemporal regulation of the axonal proteome by local protein synthesis (LPS) plays a critical role in neuronal wiring and axon survival, raising the intriguing possibility that some neurological disorders involve LPS dysfunction. To visualise LPS in situ, I optimised multiple imaging techniques to investigate Netrin-1-induced translation in cultured retinal axons. Total axonal protein synthesis measured by metabolic and puromycin labelling indicates axons experience stage-dependent alterations in translation rate upon Netrin-1 stimulation. Remarkably, Netrin-1 triggers a burst of β-actin synthesis starting within 20 seconds of cue application at multiple non-repetitive sites visualised by single molecule translation imaging, an approach that allows direct visualisation of translation dynamics in response to external stimuli. Further studies have shown that local translation can occur on Rab7a-associated late endosomes, where mRNA recruitment and translation are coordinately regulated. Notably, mRNAs encoding mitochondria-related proteins are found translating on late endosomes docking in the vicinity of mitochondria, suggesting late endosomes act as ‘platforms’ for the localised synthesis of mitochondrial proteins necessary for maintaining mitochondrial integrity. Moreover, this process is affected in axons expressing the Charcot-Marie-Tooth disease type 2B (CMT2B)-related Rab7a mutants, leading to abnormal mitochondrial biogenesis and activity and compromised axon survival. Finally, attenuated de novo protein synthesis is observed in axons expressing amyotrophic lateral sclerosis (ALS)-associated fused in sarcoma (FUS) mutants and hypomethylated wild-type FUS. Live imaging reveals mislocalised mutant or hypomethylated FUS granules are transported along axons and accumulate at growth cones, possibly irreversibly trapping RNA molecules, resulting in reduced distance travelled by RNA granules in axons. Furthermore, mutant FUS expression results in defective retinal projections in vivo, highlighting the importance of RNA metabolism and local translation in axonal homeostatic mechanisms. In conclusion, aberrant translational activity in axons leads to prominent axonopathy, which recapitulates features of early stages of neurological diseases, providing the basis for novel therapeutic strategies.

La spectroscopie de fluorescence de molécule individuelle a révolutionné le domaine des sciences biophysiques, en permettant la visualisation des interactions moléculaires dynamiques et des caractéristiques nanoscopiques avec une haute résolution spatio-temporelle. Le contrôle des réactions enzymatiques et l'étude de la dynamique de diffusion de molécules individuelles permet de comprendre l'influence et le contrôle de ces entités nanoscopiques sur plusieurs processus biophysiques. La nanophotonique basée sur la plasmonique offre des nouvelles opportunités de suivi d'évènements à molécule unique, puisque il est possible de confiner des champs électromagnétiques dans les hotspots à nano-échelle, à dimensions spatiales comparables à une molécule unique. Dans ce projet de thèse, nous explorons plusieurs plateformes de nanoantennas photoniques avec des hotspots, et nous avons démontré les applications dans l'amélioration de la spectroscopie de fluorescence de molécule individuelle. En utilisant la fluorescence burst analysis, l'analyse de fluctuations temporelle de fluorescence,TCSPC, nous quantifions les facteurs d'amélioration de fluorescence, les volumes de détection de nanoantennas; ainsi, nous discutons l'accélération de fluorescence photo dynamique. En alternative aux structures plasmoniques, des antennes diélectriques basées sur les dimères en silicone ont aussi démontré d'améliorer la détection de fluorescence à molécule unique, pour des concentrations micro molaires physiologiquement pertinentes. En outre, nous explorons des systèmes planaires antennas in box pour l'investigation de la dynamique de diffusion de la PE et de la SM dans les membranes des cellules vivantes. / Single-molecule fluorescence spectroscopy has revolutionized the field of biophysical sciences by enabling visualization of dynamic molecular interactions and nanoscopic features with high spatiotemporal resolution. Monitoring enzymatic reactions and studying diffusion dynamics of individual molecules help us understand how these nanoscopic entities influence and control various biochemical processes. Nanophotonic antennas can efficiently localize electromagnetic radiation into nanoscale spatial dimensions comparable to single bio-molecules. These confined illumination hotspots there by offer the opportunity to follow single-molecule events at physiological expression levels. In this thesis, we explore various photonic nanoantenna platforms and demonstrate their application in enhanced single-molecule fluorescence detection. Using fluorescence burst analysis, fluorescence correlation spectroscopy (FCS), time-correlated TCSPC measurements, and near field simulations, we quantify nanoantenna detection volumes, fluorescence enhancement factors and discuss the fluorescence photodynamic accelerations mediated by optical antennas. Further, using resonant planar antenna-in-box devices we investigate the diffusion dynamics of phosphoethanolamine and sphingomyelin on the plasma membrane of living cells and discuss the results in the context of lipid rafts. Together with cholesterol depletion experiments, we provide evidence of cholesterol-induced nanodomain partitioning within less than 10~nm diameters and characteristic times being ~100 microseconds.

Dans ce manuscrit, nous présentons d'abord le bloc de construction moléculaire ultime pour les dispositifs de spintronique, les aimants à molécule unique (Chapitre 2). En particulier, nous nous concentrerons sur une molecule de TbPc2 et différentes approches pour sonder son aimantation à l'aide de détecteurs a base de nanotubes de carbone et de mécanismes de couplage différents (flux magnétique, couplage électronique et mécanique). Dans le but de construire un detecteur de torque supramoléculaire capable de sonder le moment magnétique d'un aimant moléculaire, nous allons décrire dans le chapitre 3 un candidat très prometteur, un système nanoélectromécanique (NEMS) à base d'un nanotube de carbone. Nous décrirons d'abord les avantages de NEMS à base de carbone par rapport aux résonateurs classiques à base de silicium. Par la suite, nous présenterons l'état de l'art des NEMS à base de nanotubes de carbone, en nous focalisant en particulier sur deux différents mouvements nanomécaniques, un mode de flexion transverse et un mode de compression longitudinal. Dans le chapitre 4, nous présenterons la mise en oeuvre expérimentale d'un detecteur de torque supramoléculaire basé sur NEMS à nanotubes de carbone et des aimants à molécule unique. Nous décrirons d'abord le processus de fabrication ultra propre et les étapes de la caractérisation d'un NEMS à nanotubes de carbone à températures ambiante et cryogénique. Nous allons ensuite démontrer un procédé de greffage d'une molécule aimants de TbPc2 sur un tel NEMS à nanotube de carbone, qui conserve à la fois les propriétés magnétiques de la molécule et les propriétés mécaniques du résonateur. Dans le chapitre 5, nous allons ensuite procéder à une étude systématique du mode de flexion transverse dans un NEMS à nanotube de carbone. Nous montrerons, que la dissipation de ce mode de vibration induit par l'effet tunnel d'électron unique à travers le nanotube de carbone (considére comme point quantique) dépend essentiellement de l'environnement électronique du nanotube, c'est à dire de la capacité, du couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes métalliqes, du courant et de la température. Les résultats indiquent que l'on pourrait atteindre des facteurs de qualité de 10^6 ou plus en choisissant un diélectrique de grille appropriées et/ou en améliorant le couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes, ce qui permettrait notamment d'augmenter la sensibilité du NEMS nanotubes de carbone par rapport à un torque magnétique générer par le retournement d'un aimant moléculaire. Dans le chapitre 6, nous démontrons la présence d'un mode de vibration longitudinal quantique dans un NEMS à base de nanotube de carbon fonctionnalisé avec des aimants moléculaires de TbPc2. Nous allons en particulier montrer que la nature quantique des deux systèmes, se traduit par un fort couplage entre le mode de compression longitudinal et l'aimantation d'un aimant moléculaire TbPc2 unique greffé sur la parois du nanotube de carbone. Ce fort couplage permet par la suite de détecter les états de spin nucléaire dans la molécule de TbPc2. Enfin, nous présenterons dans la conclusion de ce manuscrit quelques perspectives pour la détection et la manipulation (coherente) d'un seul spin (nucléaire) à l'aide d'un système mécanique quantique. / In this manuscript, we will first present the ultimate molecular building block for spintronic devices, so called single-molecule magnets (Chapter 2). In particular we will focus on a TbPc2 complex and various approaches of probing its magnetization using carbon nanotube detectors and different coupling mechanisms (magnetic flux, electronic and mechanical coupling). With the aim of building a supramolecular torque magnetometer capable of probing the magnetic moment of a molecular magnet, we will describe in Chapter 3 a promising candidate, a carbon nanotube nanoelectromechanical system (NEMS). We will first describe the advantages of carbon based NEMS over classical Si based resonators. Subsequently we will present the state of art of carbon nanotube NEMS and focus in particular on two different nanomechanical motions, a transverse bending mode and a longitudinal stretching mode. In Chapter 4, we present the experimental implementation of a supramolecular torque magnetometer based on carbon nanotube NEMS and single molecule magnets. We first describe the ultraclean bottom-up fabrication process and the extensive characterisation steps of carbon nanotube NEMS at room and cryogenic temperatures. We will finally demonstrate a method of grafting a TbPc2 single molecules magnet on such a carbon nanotube NEMS, that conserves both the magnetic properties of the molecule and the mechanical properties of the resonator. In Chapter 5, we will then perform a systematic study of the transverse bending mode vibration in a carbon nanotube NEMS. We demonstrate for instance, that the dissipation of a carbon nanotube's bending mode vibration to single electron tunneling through the carbon nanotube NEMS-quantum dot critically depends on the dot's electronic environment, i.e. the capacitance, the tunnel coupling to the metal leads, the current and temperature. The findings suggest that one could achieve quality factors of 10^6 or higher by choosing appropriate gate dielectrics and/or by improving the tunnel coupling to the leads, which would notably increase the sensitivity of the carbon nanotube NEMS with respect to a magnetic torque generate by a rotating molecular magnet. In Chapter 6, we demonstrate the presence of a quantized longitudinal stretching mode vibration in a carbon nanotube NEMS functionnalized with TbPc2 single molecule quantum magnets. We will in particular demonstrate that the quantum mechanical nature of both systems, results in a strong coupling between the longitudinal stretching mode and the magnetization of an individual TbPc2 single molecule magnet grafted to the carbon nanotube's sidewall. The strong coupling in fact enables the detection of the nuclear spin states in the TbPc2 molecule. Finally, we present in the conclusion of this manuscript some future prospects for the detection and (coherent) manipulation of a single (nuclear) spin using a mechanical quantum system.

Computational methods in single molecule localization microscopy Abstract Fluorescence microscopy is one of the chief tools used in biomedical research as it is a non invasive, non destructive, and highly specific imaging method. Unfortunately, an optical microscope is a diffraction limited system. Maximum achievable spatial resolution is approximately 250 nm laterally and 500 nm axially. Since most of the structures in cells researchers are interested in are smaller than that, increasing resolution is of prime importance. In recent years, several methods for imaging beyond the diffraction barrier have been developed. One of them is single molecule localization microscopy, a powerful method reported to resolve details as small as 5 nm. This approach to fluorescence microscopy is very computationally intensive. Developing methods to analyze single molecule data and to obtain super-resolution images are the topics of this thesis. In localization microscopy, a super-resolution image is reconstructed from a long sequence of conventional images of sparsely distributed single photoswitchable molecules that need to be sys- tematically localized with sub-diffraction precision. We designed, implemented, and experimentally verified a set of methods for automated processing, analysis and visualization of data acquired...

Les cassures double brin de l'ADN altèrent l'intégrité physique du chromosome et constituent l'un des types les plus sévères de dommages à l'ADN. Pour préserver l'intégrité du génome contre les effets potentiellement néfastes des cassures double brin de l'ADN, les cellules humaines ont développé plusieurs mécanismes de réparation, dont la réparation par recombinaison de l'ADN et la jonction d'extrémités non-homologues (NHEJ), catalysés par des enzymes spécifiques. Pendant ma thèse, nous avons caractérisé la dynamique de certaines des interactions protéines/ADN impliquées dans ces mécanismes au niveau de la molécule unique. Dans ce but, nous avons combiné des pinces optiques et de la micro-fluidique avec de la microscopie de fluorescence à champ large afin de manipuler une ou deux molécules d'ADN individuelles et d'observer directement les protéines de la réparation marquées par fluorescence agissant sur l'ADN. Nous avons concentré notre analyse sur trois protéines/complexes essentiels impliqués dans la réparation de l'ADN: (i) la protéine humaine d’appariement de brin RAD52, (ii) les protéines humaines XRCC4, XLF et le complexe XRCC4/Ligase IV de la NHEJ et (iii) le complexe humain MRE11/RAD50/NBS1. / DNA double-strand breaks disrupt the physical continuity of the chromosome and are one of the most severe types of DNA damage. To preserve genome integrity against the potentially deleterious effects of DNA double-strand breaks, human cells have evolved several repair mechanisms including DNA recombinational repair and Non-Homologous End Joining (NHEJ), each catalyzed by specific enzymes. In this thesis we aimed at unraveling the dynamics of protein/DNA transactions involved in DNA double-strand break repair mechanisms at single molecule level. To do this, we combined optical tweezers and microfluidics with wide-field fluorescence microscopy, which allowed us to manipulate individual DNA molecules while directly visualize fluorescently-labeled DNA repair proteins acting on them. We focused the study on three crucial proteins/complexes involved in DNA repair: (i) the human DNA annealing protein RAD52, (ii) the non-homologous end joining human proteins XRCC4 and XLF and the complex XRCC4/Ligase IV, and (iii) the human MRE11/RAD50/NBS1 complex.

Le développement récent de l’électronique exige la mise au point de composants de plus en plus efficaces, de plus en plus rapides et de plus en plus réduits en taille. Dès les années 1970, il a été montré que l'on pourrait utiliser la molécule comme composante électronique élémentaire. Dans ce domaine, le chimiste sait aujourd’hui créer des molécules douées de propriétés remarquables, comme par exemple les molécules-aimants et les chaines-aimants qui montrent une bistabilité magnétique à basse température (T < 10 K) liée à la relaxation lente de leur aimantation, leur conférant ainsi la capacité de conserver l’information. Dans ce contexte, l’idée d’organiser des molécules-aimants par des connecteurs moléculaires photocommutables permet à la fois d’ajouter une propriété magnétique supplémentaire au matériau, mais également de photo-contrôler la bistabilité magnétique de ces objets. Dans ces travaux de thèse, nous nous sommes intéressés à l’association de molécules-aimants avec deux types de liens : les complexes à transfert de charge Na2[Fe(CN)5NO] et à conversion de spin [Fe(LN5)(CN)2] et [Fe(LN3O2)(CN)2] (LN5 et LN3O2 étant des ligands pentadentes) dans le but de photo-contrôler les propriétés magnétiques. Les résultats obtenus dans la partie dédiée à l’organisation des complexes [MnIII(BS)]+ via le précurseur photo-actif nitroprussiate se sont révélés décevants du point de vue photomagnétisme. Toutefois, un des nouveaux composés 2D présente un comportement magnétique de type molécule-aimant. La stratégie de connecter les précurseurs de [MnIII(BS)]+par des complexes photomagnétiques [Fe(LN3O2)(CN)2] et [Fe(LN5)(CN)2] pour synthétiser de nouveaux systèmes photosensibles a porté ces fruits puisque neuf nouveaux systèmes ont été synthétisés. Permi les résultats les plus significatifs, nous avons obtenu un système unidimensionnel dans lequel les unité dimères [MnIII2(BS)2]2+ sont connectées par l’entité photomagnétique et qui présente un comportement de molécule-aimant. On retiendra aussi un autre système unidimentionnel qui présente un ordre antiferromagnétique et de la relaxation lente de l’aimantation. D’autre part, les études photomagnétiques ont clairement montré des comportements photoinduits pour les cinq composés qui contiennent les centres FeII à l’état bas spin. Pour conclure, le développement de notre stratégie est prometteur pour la création de nouveaux matériaux photomagnétiques dans les années à venir. / The exponential growth of technological demands for information storage capacity is at the origin of the nanosciences and the development of the molecular electronics. Since more than 40 years, the main objective in this field of research is mainly to store as fast as possible more information in a smaller volume. Nowadays, chemists know how to create molecules with remarkable properties, such as Single–Molecule Magnets (SMMs) and Single–Chain Magnets (SCMs), which show magnetic bistability at low temperature (T < 10 K) providing a memory effect. Therefore, the design of novel materials with original physical properties, based on molecular magnetic objects, became the focus of many researches around the world. Following this approach, the design of SMM linked by active bridges that can switch between two magnetic states under external stimuli (temperature, pressure, light...), should favor additional properties and allow an external control (by irradiation) of the magnetic properties of the final SMM-based materials. The goal of this thesis is to organize SMMs by assembling them with two types of linkers: electron-transfer building blocks (Na2[Fe(CN)5NO]) and spin-crossover complexes ([Fe(LN5)(CN)2] and [Fe(LN3O2)(CN)2]). Three new materials obtained from the organization of [MnIII(BS)]+ complexes with the [Fe(CN)5NO]2- building-block, showed no significant photoactivity unlike the Na2[Fe(CN)5NO] precursor. Nevertheless, one of these organized systems exhibits Single-Molecule Magnet behaviour. The employed strategy to link [MnIII(BS)]+ units with photomagnetic [Fe(LN5)(CN)2] and [Fe(LN3O2)(CN)2] spin-crossover complexes, leads to nine new interesting compounds. The most significant novelty from a structural point of view is the various topologies of compounds obtained from molecular complexes to one-dimensional architectures with different arrangements. All compounds exhibit interesting magnetic properties. For example, one of the unidimensional networks shows an antiferromagnetic order followed by a slow relaxation of the magnetization that has been observed for the first time in a canted system. On the other hand, magnetic investigations under light irradiation have revealed remarkable photoinduced properties in the case of five systems based on FeII units in their low spin state. In conclusion, the synthetic strategy used in this thesis has been experimentally validated and opens new perspectives for future photomagnetic SMM and SCM systems.

Single molecule experiments study the kinetics of molecular biological systems. Many such studies generate data that can be described by aggregated hidden Markov models, whereby there is a need of doing inference on such data and models. In this study, model selection in aggregated Hidden Markov models was performed with a criterion of maximum Bayesian evidence. Variational Bayes inference was seen to underestimate the evidence for aggregated model fits. Estimation of the evidence integral by brute force Monte Carlo integration theoretically always converges to the correct value, but it converges in far from tractable time. Nested sampling is a promising method for solving this problem by doing faster Monte Carlo integration, but it was here seen to have difficulties generating uncorrelated samples.

Mesoscopic structures in liquids have an impact on the diffusion dynamics of the constituting molecules. Smectic 8CB liquid crystals on silicon wafers show the formation of mesoscopic structures on the μm scale at a film thickness of 200 nm. Depending on the kind of substrate (thermally grown or native SiOx), we observed the formation of focal conic domains (FCDs) and a new type of terraced holes, respectively. Dynamics are described via single perylene diimide tracer molecule tracking of translational diffusion and in the case of FCDs by a combination of translation and rotation detected via fluorescence correlation spectroscopy. Tailoring perylene diimide molecules such that the optical transition dipole moment follows the liquid crystal director allows mapping out FCDs and investigating the dynamics within a single FCD.

Ce travail est consacré à la synthèse et la caractérisation des commutateurs et des fils moléculaires incorporant l'unité et le ruthénium organométalliques fractions photochromiques. La première partie traite de lanthanides complexe Yb combiné avec l'unité et le ruthénium acétylure fractions photochromiques afin de moduler la luminescence avec l'aide de redox et de stimuli lumineux. Dans la deuxième partie explique la combinaison d'unités DTE photochromiques avec des fragments acétylures de ruthénium pour fixer sur la surface de nanoparticules métalliques afin d'affiner leur résonance plasmonique grâce à la modification de l'environnement de surface en utilisant la lumière et redox stimuli. La troisième partie décrit la préparation de complexes de lanthanides combinés avec une unité photochromique spiropyranne pour commuter les propriétés SMM des complexes via photoisomérisation de l'unité spiropyranne. Dans la dernière partie, nous présentons la synthèse de Oligo (phénylène éthylène) Les fils moléculaires avec différents noyaux centraux afin d'obtenir une variété de fil avec différents niveaux d'énergie HOMO-LUMO pour vérifier l'effet de l'épinglage. / This work is devoted to the synthesis and characterization of novel molecular switches and wires incorporating photochromic unit and ruthenium organometallic moieties. The first part deals with lanthanide Yb complex combined with photochromic unit and ruthenium acetylide moieties in order to modulate the luminescence with the help of redox and light stimuli. In the second part explained the combination of photochromic DTE units with ruthenium acetylide moieties to attach on the surface of metal nanoparticles in order to tune their plasmonic resonance through the surface environment modification by using light and redox stimuli. The third part describes the preparation of lanthanide complexes combined with a spiropyran photochromic unit in order to switch the SMM properties of the complexes via photoisomerization of the spiropyran unit. In the last part, we report the synthesis of Oligo(phenylene ethylene) molecular wires with different central cores in order to obtain various wire with different HOMO-LUMO energy levels to check the effect of pinning.

Les nanocristaux de CdSe font l'objet d'applications émergentes dans les domaines de la nano-électronique, des technologies laser ou du marquage fluorescent de biomolécules. Pour ces applications, la détermination de la structure fine de l'exciton de bord de bande et des mécanismes de relaxation entre sous-niveaux est d'un intérêt majeur. Cette thèse a été consacrée à l'étude spectroscopique à basse température et sous champ magnétique de nanocristaux individuels de CdSe/ZnS. La remarquable photostabilité des nanocristaux étudiés a permis de caractériser les propriétés optiques des deux états excitoniques de plus basse énergie: l'état excitonique fondamental "noir", et l'état excitonique "brillant" situé quelques meV plus haut en énergie. Ces études ont aussi permis d'identifier un état excitonique chargé (trion) et de caractériser ses propriétés photophysiques. La possibilité de générer une cascade radiative biexciton-exciton a également été démontrée dans ces systèmes. / CdSe nanocrystals are attractive for many applications such as nanoscale electronics, laser technology, and biological fluorescent labelling. A detailed understanding of the band-edge exciton fine structure and the relaxations pathways between sub-levels are crucial for these applications. During this project we have studied the optical properties of single CdSe/ZnS nanocrystals at cryogenical temperature and under magnetic field. The dramatic photostability of the nanocrystals' emission has allowed the optical study of the two lowest exciton states: the "dark" excitonic state and the "bright" excitonic state, lying few meV above. These studies have also enabled us to identify a charged excitonic state (negative trion) and to characterize its photophysical properties. Besides we have demonstrated that in these nanocrystals, radiative cascade biexciton-exciton might be generated.