Les ions lanthanide sont employés avec succès pour la synthèse de molécules-aimants caractérisées par une relaxation lente du moment magnétique d’origine purement moléculaire. Ces propriétés sont principalement liées à la forte anisotropie intrinsèque de ces ions, ainsi qu’à leur moment magnétique intense. Dans le cas de complexes contenant plusieurs porteurs de spin (métaux 3d, 4f ou radicaux organiques), la proximité de ces centres peut induire entre ces derniers une interaction de couplage aussi appelée échange magnétique. La rationalisation de telles propriétés est notamment rendue possible par l’approche ab initio. / Lanthanide ions have been used successfully in the synthesis of single molecule magnets for more than a decade. This particular class of molecules shows slow relaxation of their magnetization from purely molecular origin. This property come mainly from the strong single ion anisotropy of these ions, and from their high magnetic moment. In the case of complexes with more than one spin carrier (3d, 4f metal or organic radical), coupling interactions can arise. These are called magnetic exchange. In this framework, ab initio calculations are a useful tool for magneto-structural correlations.

Depuis leur découverte dans les années 90, les molécules-aimants constituent une classe de matériaux magnétiques qui a attiré l'attention du fait de leur bistabilité magnétique. Ces systèmes donnent l’espoir formidable de pouvoir stocker un bit d’information à l’échelle moléculaire. Ainsi, leur organisation dans des réseaux est devenue un enjeu essentiel en vue de leur intégration dans des dispositifs. Lors de cette thèse, l’organisation contrôlée de ces molécules par chimie de coordination en utilisant différents connecteurs s’est révélée être une stratégie de choix. Le chapitre I présente une approche théorique de ce projet de recherche. Dans ce chapitre, les propriétés de molécules-aimants, chaînes-aimants, conversion de spin et transfert d'électron sont décrits et discutés. Le chapitre II contient la bibliographie pertinente sur les réseaux de coordination à base de molécules-aimants et les systèmes photoactifs bimétalliques conténant des groupements cyanures. Le chapitre III présente l'organisation de molécules aimants[Mn4] en réseaux 1D et 2D par des liens diamagnétiques (ions chlorures) ou des liens paramagnétiques contenant des ions métalliques (NiII, MnII et CuII). Les études physiques (cristallographie par rayons X, mesuresmagnétiques et de chaleurs spécifiques) et des analyses théoriques sur ces nouveaux réseaux ont montré des propriétés magnétiques améliorées par rapport à la molécule-aimant [Mn4] isolée. Dans le chapitre IV, nous avonspréparé de nouveaux connecteurs commutables pour in fine concevoir des réseaux de molécules-aimants photomagnétiques. Une approche « building-block » a été utilisée pour obtenir un composé binucléaire de Fe et Co.Des études spectroscopiques, électrochimiques et magnétiques ont été effectuées et ont révélé sans ambiguïté une conversion de spin thermo-induite à l'état solide, et un transfert d'électron intramoléculaire assisté par protonation contrôlée en solution, accompagnés de changements optiques et magnétiques. Pour la première fois, ce nouveaucomplexe montre deux processus de commutation distincts selon son état physique et le stimulus externe utilisé. / The beginning of the 1990’s marked the discovery of Single-Molecule Magnets (SMMs), which created the hope tostore information on a single molecule due to their magnetic bistability. However, it is becoming of strategicimportance to dedicate a part of our research to their organization in order to achieve devices for the potentialapplication. During this thesis work, our strategy was to exploit coordination chemistry to organize these moleculesin a controlled way by using different types of linkers.Chapter I covers theoretical backgrounds for this research project. In this chapter, Single-Molecule Magnets(SMMs), Single-Chain Magnets (SCMs), Spin Crossover (SC) and Electron Transfer (ET) systems are described anddiscussed. Chapter II contains relevant literature on SMM-based coordination networks and photoactive cyanidobasedbimetallic systems. Chapter III presents the organization of [Mn4] SMMs in 1D and 2D networks withdiamagnetic linkers (chlorido ions) or paramagnetic linkers containing NiII, MnII, and CuII ions. The extensivephysical studies (X-ray crystallography, magnetic and heat capacity measurements, and theoretical analysis) on thesenetworks demonstrated new magnetic behavior and enhanced energy barrier compared to the isolated [Mn4] SMMs.In Chapter IV, we prepared new switchable linkers based on the cyanido-bridged Fe/Co unit, to realizephotomagnetic networks of SMMs. A rational building-block approach has been used to design these dinuclearFe/Co complexes. Extensive spectroscopic, electrochemical and magnetic characterizations have been performed tounambiguously reveal in one of the synthesized complexes the presence of a spin crossover induced by temperaturein the solid-state, and an intramolecular electron transfer assisted by controlled protonation in solution, bothaccompanied by optical and magnetic changes. For the first time, this new complex shows two distinct switchingprocesses depending on its physical state and external stimuli.

Single-molecule localisation microscopy (SMLM) allows imaging of fluorescently-tagged proteins in live cells with a precision well below that of the diffraction limit. As a single-molecule technique, it has also introduced a new quantitative approach to fluorescence microscopy. In the Part A of this thesis, the design and building of three SMLM instruments, the implementation of a custom-developed image analysis package and the characterisation of the photo-physical properties of the photo-activable fluorescent protein used in this thesis (mEos), are discussed. Then, a new post-processing method for SMLM analysis is characterised: axial optical sectioning of SMLM images is demonstrated by thresholding fitted localisations using their fitted width and amplitude to reject fluorophores that emit from above or below a virtual ?light-sheet?, a thin volume centred on the focal plane of the microscope. This method provides qualitative and quantitative improvements to SMLM. In the Part B of this thesis, SMLM is applied to study T cell activation. Although the T cell receptor plays a key role in immunity, its stoichiometry in the membrane of resting T cells is still a matter of debate. Here, single-molecule counting methods are implemented to compare the stoichiometry of TCRs fused with mEos2 in resting T cells to monomeric and dimeric controls. However, because of the stochasticity of mEos2 photo-physics, results are inconclusive and new counting techniques based on structural imaging are discussed. In addition to TCR triggering, T cells require the co-stimulatory triggering of the CD28 transmembrane receptor to become fully activated. However, some immobilised anti-CD28 antibodies, referred to as super-agonists (SA), can directly activate T cells without triggering the TCR. In this thesis, single-molecule tracking techniques are used to investigate the molecular mechanism of CD28 super-agonism in live T cells. The results indicate that the diffusion of CD28 is slowed by SA binding. This effect is further discussed in light of the kinetic-segregation model proposed for TCR triggering. Quantitative SMLM as implemented and further developed in this work offers new tools to investigate the molecular mechanisms initiating T cell activation, ultimately facilitating the discovery of novel approaches to target these pathways for therapeutic purposes.

This work comprises two main parts. The first part outlines our efforts to expand on the recent work of Gütlich et.al. by synthesizing Co(II) based spin crossover systems within a dendritic framework. We wanted to investigate the possibility of synthesizing different first generation, triazole containing dendrimers using “click” type reactions and their coordination ability with Co(II) ions. To this end we have had limited success mainly due to the numerous challenges in synthesizing a pure dendrimer product. The second part details our efforts in the synthesis of a mononuclear Co(II) based single molecule magnet. This comes as an extension to recent reports by Chang and Long where they have successfully obtained mononuclear Fe(II) single molecule magnets by inducing structural distortions within the complexes to amplify the spin-orbit coupling. We postulated that the use of Co(II) in conjunction with a bulky ligand framework would lead to desirable magnetic properties. We chose the known bis(imino)pyridine ligand scaffold due to its rich chemistry and its interesting and unexpected coordination behaviour, as we have seen in previous research efforts by our lab. To this end we were successful in isolating and characterizing 4 compounds, and we have carried out detailed magnetic measurements on the two most magnetically interesting species.

Au cours des dernières décennies, l'électronique s'est développée de manière à répondre au besoin grandissant de stocker et traiter toujours plus d'information, et elle a évolué de manière incessante vers une miniaturisation extrême. Dans ce contexte, les molécules-aimants, qui sont des entités moléculaires magnétiques, présentent une bistabilité magnétique permettant de stocker l'information dans des unités de la taille d'une molécule. Le principal frein aux applications tient aux basses températures auxquelles ces molécules présentent de telles propriétés (< 15K). Il est donc important de comprendre les mécanismes mis en jeu au sein de ces entités afin d'augmenter les températures de fonctionnement. Un moyen prometteur est de ponter deux ions de lanthanides par un ligand radicalaire. Cette approche a conduit à la conception de la molécule-aimant ayant à ce jour la plus haute température de blocage (14 K). Ce travail de thèse est dédié à la conception et à la caractérisation des structures, ainsi qu'à l'étude des propriétés magnétiques et des relations magnéto-structurales par spectroscopie électronique de molécules aimants et d'aimants à base moléculaires. Ces systèmes sont élaborés à partir d'ions de lanthanides(III) ou de manganèse(II) et de radicaux libres organiques de types nitronyl-nitroxyde. Une attention particulière sera dirigée vers la réalisation de complexes dinucléaires de lanthanides pontés par un ligand radicalaire, et sur l'étude de la brique monomérique. Nous avons exploré la possibilité d'utiliser le radical NITBzImH comme ligand radicalaire pontant des briques moléculaires de type [Ln(β- dicétone)3] et [Ln(NO3)3]. Nous nous sommes intéressés au comportement magnétique inhabituel d'un polymère de coordination de manganèse(II) pontés par les radicaux NITIm, parent de NITBzImH, puis nous avons commencé à nous intéresser à l'effet produit en remplaçant les manganèses(II) par des lanthanides(III) / For the past decades, electronics have been developed in order to meet the increasing need of information storage, always evolving to the constant upgrade of their components: better, faster, smaller. Twenty-five years ago, the recently created field of molecular magnetism allowed designing entities responding to the aforementioned requirements: Single- Molecule-Magnets (SMMs). On the one hand, those are compounds showing magnetic bistability affording to stock information and on the other hand, they are the smallest entities available to design any information support. In spite of those remarkable qualities, they require very low temperature (< 15 K) to display their properties. Thus, it is of primary importance to understand underlying mechanisms in order to increase this temperature range. One promising route is to connect lanthanide dimer by a radical bridge. This method has led to the discovery of a SMM, whose blocking temperature is the highest known to date (14 K). This thesis work has been dedicated to the conception of SMMs and molecular-based magnets, as well as the characterization of their structures and magnetic properties, and their magneto-structural relationships by electronic spectroscopy. Those systems were mostly based on lanthanide(III) or manganese(II) ion and nitronyl-nitroxide organic free radicals. A special focus was made to the synthesis of dinuclear lanthanide complexes bridged by an organic free radical, and to the study of their mononuclear complex. We have studied the potential of NITBzImH radical as a bridge for [Ln(β-diketonate)3] and [Ln(NO3)3] molecular bricks. We also took interest to the unusual magnetic behavior of a manganese(II) coordination polymer, where each metal center is bridged by a NITIm radical, closely related to NITBzImH radical. Finally, we started to explore the changes induced by switching manganese(II) to lanthanide(III)

Dans cette thèse, nous avons développé la synthèse de nouveaux matériaux magnétiques hybrides afin d’améliorer la mise en forme de ces systèmes. Une partie de notre travail a consisté à fonctionnaliser la partie organique de matériaux moléculaires possédant des propriétés magnétiques remarquables, par des groupes fonctionnels connus pour induire des phases cristal-liquide ou pour augmenter la solubilité. Nous avons réalisé la fonctionnalisation rationnelle (i) de molécules aimants (Single-Molecule Magnets, SMM), (ii) de systèmes à conversion de spin et (iii) à transfert d'électrons, induisant ainsi des matériaux plus solubles et des phases cristal liquide.Le Chapitre I présente trois classes importantes de complexes magnétiques: les molécules-aimants, les systèmes à conversion de spin et de transfert d'électrons. Afin d’illustrer les motivations de notre travail une étude bibliographique dédiée aux matériaux hybrides magnétiques est ensuit présentée. La fonctionnalisation rationnelle des SMM et des systèmes à conversion de spin, respectivement, vers des phases cristallines liquides ont été discutés dans le Chapitre II et III. De nouveaux complexes fonctionnalisés à base de Mn12, FeII/triazole et [FeII(LN2O2)(LN)2] ont été obtenus. La conservation des propriétés magnétiques après fonctionnalisation du ligand a été confirmée, mais malheureusement, ces nouveaux composés ne montrent pas de comportement mésomorphe en dessous de la température de décomposition. Le Chapitre IV porte sur la fonctionnalisation des complexes à transfert d'électrons. La fonctionnalisation du ligand alkyle confère une bonne solubilité à ces complexes, et le comportement commutable activé thermiquement à l’état solide a ainsi pu être transféré à des solutions diluées. / In this thesis, we tried to develop hybrid magnetic material chemistry in order to get soft systems that can be easy-processable. This work deals with functionalization of the organic part of interesting molecule-based magnetic materials by groups known to induce liquid crystal phase or to increase the solubility. We achieved the rational functionalization of molecule-based magnetic materials, like (i) Single-Molecule Magnets (SMM), (ii) Spin Crossover (SC), and (iii) Electron Transfer (ET) systems, towards more soluble systems and liquid crystal phases.Chapter I contains general information about three important classes of magnetic complexes: SMMs, SC and ET systems. In order to illustrate the motivation of our work, a bibliographic study about hybrid magnetic materials is then presented. Rational ligand functionalization of SMMs and SC systems towards liquid crystalline phases are discussed in Chapter II and III, respectively. New functionalized Mn12 complexes, FeII/triazole-based and [FeII(LN2O2)(LN)2] systems were obtained. The conservation of magnetic properties after ligand functionalization was confirmed, but unfortunately, these new compounds do not show mesomorphic behaviour below the decomposition temperature. The Chapter IV is focused on ligand functionalization of ET complexes. Alkyl functionalization of the ligand provides a good solubility to these complexes, and the thermally-induced switchable behaviour observed in solid state has been successfully transferred to dilute solutions.

Cette thèse de doctorat a été réalisée en cotutelle entre les Universités de Rennes 1 en France et de Florence en Italie. L’objectif de ce travail est tout d’abord de rationaliser les propriétés inter- et intramoléculaires de molécules-aimants (Single Molecule Magnet – SMM) à base d’ions lanthanides (“partie moléculaire”) et puis leur évolution une fois absorbé sur surface (''partie sur surface''). Ces deux aspects ont été examinés dans un cadre théorique et computationnel, en utilisant différentes techniques multi-niveaux, de periodic Density Functional Theory (pDFT) en utilisant une approche post-Hartree-Fock, en fonction de la variable expérimentale d’intérêt. Les molécules-aimants sont d'un intérêt particulier pour le design de nouveaux matériaux magnétiques dans la science des surfaces (comme la spintronique), mais elles permettent également une connaissance des propriétés électroniques et magnétiques approfondie est également nécessaire. / The Ph.D. project was a joint agreement between two universities: Université de Rennes 1 in France and Università di Firenze in Italy. The project aimed to shed light on the rationalization of the inter- and intramolecular properties of novel lanthanide-based Single Molecule Magnets, SMMs, (“molecular part”) and their evolution once adsorbed on surface (“surface part”). Both aspects are examined within a theoretical and computational framework, with different multi-level techniques ranging from periodic Density Functional Theory (pDFT) to post-Hartree-Focks approaches, depending on the experimental observable of interest. SMMs are, indeed, at the cutting-edge in the design of novel magnetic materials in surface science (as spintronics or memory storage devices), but for their exploitation a deep understanding of their electronic and magnetic properties is needed.

Les télomères sont raccourcis à chaque cycle de réplication de l’ADN à cause du problème de réplication des extrémités. Leur longueur dicte la capacité proliférative des cellules eucaryotes. Des télomères trop courts, aillant atteints la limite de Hayflick, feront entrer les cellules en sénescence réplicative. Pourtant dans les cellules progénitrices ainsi que 90% des cellules cancéreuses la longueur des télomères est maintenue par un complexe ribonucléoprotéique, la télomérase. L’assemblage de ce complexe ainsi que son recrutement aux télomères son des processus dynamiques sous le contrôle d’une régulation fine. Toutefois, comment cette régulation à un impact sur la dynamique de la télomérase dans le noyau n’est toujours pas complétement compris. Dans ce projet nous avons développé une nouvelle méthode se basant sur le système MS2 permettant d’observer pour la première des particules uniques d’ARN de télomérase (hTR) par microscopie à fluorescence sur cellules cancéreuse humaines vivantes. Le suivi en temps réel de ces particules aux télomères a permis de révéler que la télomérase scanne activement les télomères via des interactions courtes avec la protéine télomérique TPP1. Des interactions plus stables nécessaires à l’allongement des télomères peuvent être formées grâce à l’appariement entre hTR et l’ADN simple brin du télomère sous contrôle du domaine OB-fold de la protéine télomérique POT1. Le suivi de ces particules au cours du cycle cellulaire a révélé que ces interactions ne sont pas restreintes à la phase S, la phase d’élongation des télomères. La mesure de la dynamique de hTR dans les corps de Cajal (CBs) couplé à des expériences de photo-activation ont pu montrer que hTERT joue un rôle dans la sortie de hTR des CBs. Enfin des mesures d’intensités de fluorescence de hTR aux télomères montrent qu’une seule particule est recruté sur un télomère en phase S. / Telomeres are shortened at each DNA replication cycle, due to the end replication problem. Their length dictates the proliferative capacity of eukaryotic cells. Too short telomeres, reaching the Hayflick limit, will lead the cells to replicative senescence. However, in stem cells and 90% of cancer cells telomere length is maintained by a ribonucleoproteic complex named telomerase. The assembly of this complex and its recruitment to telomeres are process under a fine regulation. Yet, how this regulation impacts the nuclear dynamics of telomerase is not fully understood. In this project, we developed a new method based on the MS2 system to image for the first time telomerase RNA (hTR) particles in living human cancer cells by fluorescence microscopy. The real time tracking of these particles at telomeres revealed that telomerase actively scan all telomeres by short interactions with the TPP1 shelterin protein. Long stable interaction needed for telomere elongation can be made by the pairing of hTR template and single stranded telomeric DNA under the control of the OB-fold domains of the shelterin protein POT1. By tracking telomerase particle during the cell cycle, we revealed that telomerase recruitment to telomeres is not restricted to S phase, when telomeres are elongated. By measuring the dynamics of hTR in Cajal bodies (CBs) with photo-activation and photo-bleaching technics we showed that hTERT play a role in the hTR exit from CBS. Finally, fluorescence intensity measures of hTR at telomeres showed the recruitment of only one particle on a telomere.

Visualization and study of reconformation of polyelectrolytes (PEs) of different architecture is of great fundamental and practical interest. Verification of theoretical predictions with experiment is of essential importance. On the other hand, a wide range of bottom-up techniques based on patterning of matter on the length scale of a few nanometers have been recently developed. Particularly interesting is the possibility of using self-assembled single molecule structures as templates for the deposition of inorganic matter, in particular metals. Synthetic &amp;quot;normal-sized&amp;quot; polymers of various architecture, like poly-2-vinylpyridine (P2VP) or polystyrene-poly(2-vynil pyridine) P2VP7-PS7 star-like block copolymer, adsorbed on solid substrates have been visualized for the first time with molecular resolution by AFM in different conformation. This finding allowed us to study largely discussed problem, a coil-to-globule transition of PEs. It was found that PE molecules undergo conformational transitions from stretched worm-like coil to compact globule via set of necklace-like globules, as the fraction of charged monomers decreases with an increase of pH and ionic strength. These results are in good agreement with recently developed DRO theory for weakly charged flexible PEs in poor solvent. The size of the deposited single molecules correlates very well with molecular dimensions in solution obtained in light scattering experiments. PE single molecules of various architectures was mineralized in different conformations that constitutes the route to nanoparticles with desired shape (including wire-shape and star-shaped), size, and composition (including metallic, magnetic and semiconductive nanoparticles). It was shown that molecular details of the adsorbed linear flexible PE molecules determine the dimensions of the nanostructures after metallization and that observed sizes are consistent with the decoration of single molecules with nanoclusters. Thus those metallized nanoparticles (cluster assembles) reflect the conformation of original adsorbed PE molecules. The dimensions of the obtained nanowires are significantly smaller than those previously reported. All of these features are of the potential benefit in applications for nanodevices. Metallization of the PS7-P2VP7 improves AFM resolution due to the selective deposition of Pd clusters along the P2VP chains. For the first time, the number of the P2VP second generation arms of the heteroarm block-copolymer was directly counted in the single molecule AFM experiment. Simple contrasting procedure was developed to improve AFM visualization of positively charged polymer chains deposited on the substrates of relatively high roughness. This method allows increasing the thickness of the resulting structures up to 10 nm, and, consequently, provide visualization of polymer chains on rough surfaces. This innovation is important for the development of single molecule experiments with polymer chains. The reaction of HCF-anion could be used for recognition of polycation molecules, when polycations, polyanions and neutral molecules coexist on the surface. Recently, the study was strongly restricted to atomically smooth surfaces. The contrasting procedure extends the range of substrates (Si-wafers, chemically modified or patterned Si-wafers, polished glasses, polymer films, etc) appropriate for the experiments. Thus, polymer single molecules can be considered not only as representative of the ensemble molecules, but also as individual nanoscale objects which can be used for future nanotechnology for the fabrication of single molecule electronic devices. Also these findings are important from fundamental point of view, since developed approach can be successfully applied for investigation of various &amp;quot;classical&amp;quot; problems in polymer science, such as polymer reconformation, interpolyelectrolyte complex formation, polymer diffusion, adsorption, etc.

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