Táto diplomová práca sa venuje vylepšeniu spektroskopu Torzne Detegovanej Elektrónovej Spinovej Rezonancie (TDESR) výmenou aktuálnej kapacitnej detekcie výchylky ohybného ramienka za optické metódy. Práca popisuje základy Elektrónovej Spinovej Rezonančnej (ESR) spektroskopie s dôrazom na TDESR a tému magnetizmu jednomolekulových magnetov. Následne je vysvetlená detekcia výchylky ramienka pomocou odrazu laserového zväzku a interferometrie. Všetky kroky nutné k skonštruovaniu spektrometra a jeho uvedenia do prevádzky sú podrobne popísané. Pomocou detekcie odrazu laserového zväzku sme úspešne získali vysoko kvalitné TDESR spektrá kryštálu jednomolekulového magnetu Fe4. Týmto meraním sme dokázali vhodnosť použitia tejto metódy a jej výraznú prevahu nad pôvodnou kapacitnou detekciou, najmä v oblasti kvality, rozlíšenia a rýchlosti. Zároveň sme na ďaľšie vylepšenie TDESR spektrometra navrhli a zostrojili zostavu využívajúcu na detekciu výchylky interferometer.

L'insuffisance cardiaque est un réel problème de santé publique avec 1 millions de patients souffrant de cette pathologie cette année en France. Elle est définie incapacité de fournir un débit sanguin suffisant à l'organisme. Cette diminution de débit est traduite par la perte de fonction contractile du coeur provoqué par la nécrose des cellules responsable de cette fonction : les cardiomyocytes. Dans cette étude j'ai pu étudier les modifications topographiques et biomécaniques de la membrane du cardiomyocyte vivant en amont de sa rupture lors de la nécrose, par une technologie issue des nanosciences : la microscopie à force atomique (AFM). Mes travaux ont fait apparaitre une membrane très structurée chez le cardiomyocyte sain et une perte de cette architecture dans un temps précoce de l'installation de l'insuffisance cardiaque. L'utilisation de la microscopie électronique à transmission à montrer que les anomalies mises en évidences par AFM ont pour origine un réarrangement mitochondriale. Dans une seconde étude je me suis intéressée à l'organisation oligomérique d'une famille particulière de récepteur transmembranaire, les récepteurs couplés aux protéines G. Ces protéines sont une des cibles privilégiées pour les traitements pharmacologiques de l'insuffisance cardiaque tel que le bêta-bloquants et les vasodilatateurs. Ce mécanisme d'oligomérisation pourrait être la clef des effets secondaires liés à ces traitements. Afin d'étudier la conformation oligomérique, j'ai utilisé la spectroscopie de force à l'échelle de la molécule unique pour mettre en évidence différentes populations oligomérique de ces récepteurs sur la surface membranaire. Les résultats ont montré une distribution des populations oligomériques en fonction des conditions (densité de plasmide codants pour les récepteurs/stimulation avec agoniste synthétique ou naturel). Il est possible qu'il y ait une régulation des voies de signalisations par l'oligomérisation des récepteurs activés. La différence d'activité possible de chaque population oligomérique (monomère/dimère/tétramère/hexamère) semble être une explication plausible aux effets secondaire des agents pharmacologique. Mes travaux de thèse ont permis la mise en évidence de nouvelle piste par une technologie innovante, la microscopie à force atomique, dans le traitement de l'insuffisance cardiaqu / Heart failure is a public health problem with 1 million patients this year in France. This pathology is defined inability to heart pump sufficiently to maintain blood flow to meet the body's needs. This decrease is explicated by the loss of contractile function of the heart, caused by the necrosis of the contractile cells: cardiomyocytes. In this study, I was able to study the topographic and biomechanical modification of the cardiomyocyte membrane upstream of its rupture during necrosis, by technology derived from nanosciences : atomic force microscopy (AFM). My work reveals a highly structured membrane in healthy cardiomyocytes and a loss of this architecture in an early stage of the heart failure installation. In a second study I was interested in the oligomeric organization of a transmembrane receptors family , G protein-coupled receptors. These proteins are a privileged target for the pharmacological treatments on heart failure such as beta- Blockers and vasodilators. This oligomerization mechanism could be the key to the side effects associated with treatments. In order to study the oligomeric conformation, I used single molecule force spectroscopy and I reveal different oligomeric populations of these receptors on the membrane. The results showed a oligomeric populations distribution according the conditions (plasmid density coding for receptors / stimulation with synthetic or natural agonist). It is possible that there is a regulation of the signaling pathways, using the oligomerization for specific activation receptors. The possible difference in activity of each oligomeric population (monomer / dimer / tetramer / hexamer) appears to be a plausible explanation for the side effects of pharmacological agents. My thesis work allowed the discovery of a new track by an innovative technology, atomic force microscopy, in the treatment of heart failure.

Les mécanismes adhésifs jouent un rôle crucial en biologie. Les cadhérines classiques constituent une des principales familles d'adhésion cellulaire dépendante du calcium. Ces glycoprotéines transmembranaires sont impliquées dans des interactions principalement homophiles. Ces interactions régulent des voies de signalisation impliquées dans de nombreux phénomènes biologiques. Cette thèse porte sur l'étude comparative des dynamiques d'interactions des cadhérines E- et -11, prototypes respectivement des cadhérines classiques de type I et II. Le ciblage d'acides aminés particuliers de l'interface adhésive nous a permis de montrer que pour les cadhérines de type I, l'échange de brin avec le Trp2 ont un rôle clé ; pour les types II un mécanisme différent intervient. Nous avons aussi développé une chimie innovante pour contrôler l'immobilisation orientée et covalente de protéines. Enfin une revue décrit une étude de l'activation de voies de signalisation par engagement des cadhérines. / Cell adhesion receptors of the classical cadherin family are involved in Ca2+-dependent homophilic interactions. In order to dissect the molecular mechanisms of cadherin-based cellcell adhesion, this Ph.D. thesis describes a comparative dynamic study of interactions between cadherins E- & -11, chosen as classical type I and II cadherins prototypes respectively. Modifications of particular residues in the E-cadherin adhesive interface showed that the ?-strand exchange with its Trp2 had a prominent feature; for type II cadherins, a different mechanism was described involving a larger domain swapping. We then developed a new protocol for immobilizing proteins in an orientated and covalent manner on surfaces. These interactions regulate signalization pathways in various biological processes. Studies describing Stat3 activation through direct cadherin engagement are reviewed.

In dieser Dissertation werden die Bindungseigenschaften von Rezeptor-Ligand-Komplexen mit Hilfe von Optischen Pinzetten untersucht. Aufgrund ihrer außerordentlichen Orts- (2nm) und Kraftauflösung (0,2pN) ist es möglich, diese spezifischen Interaktionen anhand einzelner Bindungsereignisse zu charakterisieren. Als Modellsysteme dienen die Wechselwirkungen zwischen den phosphorylierungsspezifischen, monoklonalen Antikörpern HPT-101 und HPT-104 und dem Morbus Alzheimer relevanten Tau-Peptid. Dieses pathogen veränderte Peptid wird krankheitsspezifisch an den Aminosäuren Threonin231 und Serin235 phosphoryliert, sodass die Detektion dieses Phosphorylierungsmusters mit Hilfe von monoklonalen Antikörpern eine mögliche Früherkennung der Alzheimer-Krankheit darstellt. Eine notwendige Voraussetzung dafür ist jedoch die exakte Kenntnis der Bindungsstellen des Liganden am Rezeptor. Ziel des ersten Teils dieser Arbeit ist es, das Epitop des monoklonalen Antikörpers HPT-101 zu bestimmen. Dazu werden mögliche bindungsrelevante Aminosäuren durch ein Alanin ausgetauscht (Alanin-Scan) und so insgesamt sieben neue Tau-Isoformen aus dem ursprünglichen doppelt-phosphorylierten Peptid Tau[pThr231/pSer235] hergestellt. Die jeweiligen Interaktionen zwischen den modifizierten Peptiden und dem Antikörper werden mit der dynamischen Kraftspektroskopie untersucht und mit Hilfe eines literaturbekannten Modells analysiert. Die sich daraus ergebenden Bindungsparameter (Lebensdauer der Bindung, charakteristische Bindungslänge, freie Aktivierungsenergie und Affinitätskonstante) werden zusammen mit den relativen Bindungshäufigkeiten erstmals genutzt, um Kriterien für essentielle, sekundäre und nicht-essentielle Aminosäuren im Tau-Peptid zu definieren. Bemerkenswerterweise existieren für insgesamt drei dieser Parameter (Bindungslebensdauer, Bindungslänge und Affinitätskonstante) scharfe Klassengrenzen, mit denen eine objektive Einteilung des Epitops von Antikörper HPT-101 möglich ist. Die erhaltenen Ergebnisse sind in überzeugender Weise im Einklang mit ELISA-Messungen zu diesem Antikörper-Peptid-Komplexen, sie liefern jedoch einen tieferen Einblick in die Natur einer spezifischen Bindung, da den kraftspektroskopischen Messungen auch die Bindungskinetik zugänglich ist. Das zweite Projekt der vorliegenden Dissertation etabliert eine Methodik, um die Datenvarianz in der Bestimmung der relativen Bindungshäufigkeit zu reduzieren. Anhand einer Kombination aus Fluoreszenz- und kraftspektroskopischen Messungen werden die Wechselwirkungen zwischen dem monoklonalen Antikörper HPT-104 und dem fluoreszenzmarkierten Peptid Tau[Fl-pThr231] untersucht. Es wird gezeigt, dass durch Vorsortieren der Peptid-beschichteten Kolloide, entsprechend ihrer Oberflächenbeladung, die Datenvarianz in den Bindungshäufigkeitsmessungen signifikant reduziert wird.

The microtubular cytoskeleton is a ubiquitous and highly diverse biopolymer network present in all eukaryotic cells. Microtubules stochastically alternate between phases of growth and shrinkage. Cells take advantage of this dynamicity to generate forces for essential processes, such as cell division, motility or morphogenesis. Regulating the microtubule dynamics enables cells to adaptively respond to a wide range of tasks and conditions. Molecular mechanisms underpinning the regulation are not fully understood. Using a bottom-up approach and the combination of single molecule total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy and interference reflection microscopy (IRM), we here reconstituted and explored two dynamic cytoskeletal systems. (i) Microtubule doublets, comprising incomplete B-microtubule on the surface of a complete A- microtubule, provide an essential structural scaffold for flagella. Despite the fundamental role of microtubule doublets, the molecular mechanism governing their formation is unknown. We here demonstrate an inhibitory role of tubulin C-terminus in microtubule doublet assembly. By partial enzymatic digestion of polymerized microtubules followed by the addition of free tubulin in the presence of a stabilizing agent, we assembled microtubule doublets and revealed the B-...

Within the last years, e.g. by investigating the fluorescence of single molecules in biological cells, remarkable progress has been made in cell biology extending conventional ensemble techniques concerning temporal / spatial resolution and the detection of particle subpopulations [82]. In addition to employing single fluorophores as "molecular beacons" to determine the position of biomolecules, single molecule fluorescence studies allow to access the photophysical dynamics of genetically encoded fluorescent proteins itself. However, in order to gain statistically consistent results, e.g. on the mobility behavior or the photophysical properties, the fluorescence image sequences have to be analyzed in a preferentially automated and calibrated (non-biased) way. In this thesis, a single molecule fluorescence optical setup was developed and calibrated and experimental biological in-vitro systems were adapted to the needs of single molecule imaging. Based on the fluorescence image sequences obtained, an automated analysis algorithm was developed, characterized and its limits for reliable quantitative data analysis were determined. For lipid marker molecules diffusing in an artifcial lipid membrane, the optimum way of the single molecule trajectory analysis of the image sequences was explored. Furthermore, effects of all relevant artifacts (specifically low signal-to-noise ratio, finite acquisition time and high spot density, in combination with photobleaching) on the recovered diffusion coefficients were carefully studied. The performance of the method was demonstrated in two series of experiments. In one series, the diffusion of a fluorescent lipid probe in artificial lipid bilayer membranes of giant unilamellar vesicles was investigated. In another series of experiments, the photoconversion and photobleaching behavior of the fluorescent protein Kaede-GFP was characterized and protein subpopulations were identified.

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...

In response to DNA damage during S phase, cells slow DNA replication. This slowing is orchestrated by the intra-S checkpoint and involves inhibition of origin firing and reduction of replication fork speed. Slowing of replication allows for tolerance of DNA damage and suppresses genomic instability. Although the mechanisms of origin inhibition by the intra-S checkpoint are understood, major questions remain about how the checkpoint regulates replication forks: Does the checkpoint regulate the rate of fork progression? Does the checkpoint affect all forks, or only those encountering damage? Does the checkpoint facilitate the replication of polymerase-blocking lesions? To address these questions, we have analyzed the checkpoint in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe using a single-molecule DNA combing assay, which allows us to unambiguously separate the contribution of origin and fork regulation towards replication slowing, and allows us to investigate the behavior of individual forks. Moreover, we have interrogated the role of forks interacting with individual sites of damage by using three damaging agents—MMS, 4NQO and bleomycin—that cause similar levels of replication slowing with very different frequency of DNA lesions. We find that the checkpoint slows replication by inhibiting origin firing, but not by decreasing fork rates. However, the checkpoint appears to facilitate replication of damaged templates, allowing forks to more quickly pass lesions. Finally, using a novel analytic approach, we rigorously identify fork stalling events in our combing data and show that they play a previously unappreciated role in shaping replication kinetics in response to DNA damage.

The modelling of single-molecule experiments is of vital interest to gain new insights into processes which were hitherto not accessible by measurements performed on bulk systems. In the first part of this thesis, the kinetics of a triple-branch DNA molecule with four conformational states is investigated by employing pulling experiments with optical tweezers and theoretical modelling. Probability distributions of first rupture forces, which are calculated by applying transition rate theory to a free energy model, show good agreement with experimental findings. Permanently frayed molecules could be identified by analysing the number of opening base pairs in force jumps. In the second part of the thesis, DNA hairpin molecules with periodic base sequences are studied. Their unfolding kinetics allows an analytical treatment, because they exhibit a regular coarse-grained free energy landscape as a function of the number of opened base pairs. A procedure is developed for determining all relevant parameters of the landscape, which relies on probabilities that can be easily sampled from the unfolding trajectories. By means of Monte Carlo simulations it is shown that already 300 trajectories, as typically measured in single-molecule experiments, provide faithful results for the energetic parameters. The approach in particular opens a new access to improve loop contributions in the free energy landscape. In the third part of the thesis, a simulation method is developed for modelling the unfolding kinetics of DNA molecules with arbitrary base sequences. The method is validated against experimental data for five DNA hairpin molecules with different length of the end-loop. Applications of the method enable one, among others, to improve the parameter determination in functional forms suggested for the tail behaviour of work distributions. Such work distributions enter detailed and integral fluctuation theorems, which are useful for estimating free energy differences between folded and unfolded states from nonequilibrium measurements.

Comme nous le savons, les applications sont déterminées par des propriétés, qui sont essentiellement déterminées par la structure. L’interaction entre la forme (structure moléculaire) et la fonction (propriétés physiques) peut être exploitée par le ligand, l’ion métallique, l'approche métallacrown et ainsi de suite. Les travaux portent sur la synthèse et l’étude du comportement magnétique de complexes mononucléaires cobalt(II) de géométrie bipyramide trigonale et sur l’étude de complexes mononucléaires de lanthanides possédant une structure de type métallacrown.Pour les complexes de cobalt(II), l’objectif a été de modifier l’anisotropie magnétique en modifiant la nature du ligand organique tétradenté et du ligand terminal en gardant, autant que faire se peut, la géométrie et même la symétrie des complexes. Presque tous ces complexes se comportent comme des molécules-aimants avec une barrière énergétique à l’inversion de l’aimantation qui peut être liée à leur anisotropie magnétique et donc à la nature des ligands. Et les complexes métallacrown à base de lanthanides étant hautement symétriques, permet de les utiliser comme modèles pour effectuer une corrélation entre la nature de l’ion lanthanide et leurs propriétés d’aimants.La thèse est composée de 6 chapitres. Le chapitre 1 présente l’état de l’art du magnétisme, des molécules-aimants (SMMs et SIMs), et quelques exemples importants. Le chapitre 2 se concentre sur une famille de complexes de géométriebipyramide trigonale de formule générale [Co(Me6tren)X]Y avec le ligand axial (X) et le contre-ion (Y) induisant le comportement SMM.Dans cette série de composés, j’ai étudié l’influence du ligand axial X sur la nature et l’amplitude de l’anisotropie magnétique. J’ai montré que la série des halogénures, l’anisotropie la plus forte est obtenue pour le ligand axial fluorure (F–). J’ai aussi étudié l’effet du cation Y qui influence l’interaction entre les molécules qui affectent le comportement d’aimant moléculaire. Au chapitre 3, on étudie l’influence du changement du ligand tétradenté. Le remplacement des trois atomes d’azote qui se trouvent en position équatoriale dans la sphère de coordination de cobalt(II) par des atomes de soufre induit une augmentation des distances Co–L dans le plan équatorial qui conduit à une plus forte anisotropie. Les calculs théoriques effectués sur ces complexes permettent de rationaliser les résultats expérimentaux et surtout de prévoir les propriétés de nouveaux complexes. Les chapitres 4 et 5 concernent deux séries de SMM 12-MC-4 basées sur LnGa4 (Ln = TbIII, DyIII, HoIII, ErIII, YbIII) avec les ligands basés sur l’acide salicylhydroxamique (H3shi) et l’acide 3-hydroxy-2-naphtohydroxamique (H3nha). J’ai préparé plusieurs complexes et étudié leurs propriétés magnétiques. Les calculs théoriques permettent de rationaliser la différence entre les propriétés des magnétiques dues aux différents ions lanthanide. Enfin, une conclusion générale avec des perspectives sont récapitulées au chapitre 6. / As we know, the applications are determined by properties, which are essentially determined by structure. The interplay between form (molecular structure) and function (physical properties) can be exploited engineering by the ligand, the metal ion, the metallacrown approach and so on. The work focuses on the synthesis and the study of the magnetic behavior of mononuclear cobalt(II) complexes with trigonal geometry and on the study of mononuclear lanthanide complexes that possess a metallacrown structure.For the cobalt(II) complexes, the aim was to tune the magnetic anisotropy by changing the nature of the tetradentate organic ligand and the terminal ligand. Almost all these complexes behave as Single Molecule Magnets with an energy barrier to the reversal of the magnetization that can be linked to their magnetic anisotropy and thus to the nature of the organic ligands. The lanthanide containing metallacrown complexes are highly symmetric, which allows performing a correlation between the nature of the lanthanide ion and their Single Molecule Magnet properties.The dissertation will be composed of 6 chapters. Chapter 1 introduces the background of the magnetism, Single Molecule Magnets, Single Ion Magnets, and some important SIMs. Chapter 2 focuses on a family of trigonal bipyramidal complexes [Co(Me6tren)X]Y. We show that the axial ligand affects the SMM behavior allowing us to prepare a complex with a magnetic bistability at T = 2 K. In Chapter 3, we examine the effect of changing the coordinated atoms (sulfur instead of nitrogen) in the equatorial coordination sphere of cobalt(II). We demonstrate that this slight change improves the SMM behavior. Chapter 4 and 5, which concern two series of 12-MC-4 SMMs based on LnGa4 (Ln = TbIII, DyIII, HoIII, ErIII, YbIII) with the ligands salicylhydroxamic acid (H3shi) and 3-hydroxy-2-naphthohydroxamic acid (H3nha), respectively, where we correlate the nature of the lanthanide ion to its magnetic behavior using ab initio calculations. At last, the understanding gained from this dissertation research, along with future research directions will be recapitulated in Chapter 6.