Les rétinol déshydrogénases ou RDHs sont des oxydoréductases inhérentes à l’accomplissement de la fonction visuelle de la rétine. Elles sont en effet impliquées dans le cycle visuel rétinien. Suite à l’absorption de la lumière par le pigment visuel des photorécepteurs, la rhodopsine, la RDH8 est la première enzyme qui va intervenir dans le cycle visuel après la libération du chromophore de la rhodopsine, le tout-trans rétinal. Ainsi, la RDH8 détoxifie les photorécepteurs car le tout-trans rétinal est une espèce très réactive qui peut induire des dommages à la rétine. La RDH11, quant à elle, agit de concert avec la RDH5 au niveau de la dernière étape du cycle visuel dans l’épithélium pigmentaire rétinien en transformant le 11-cis rétinol en 11-cis rétinal, qui sera réacheminé vers les photorécepteurs pour régénérer le pigment visuel. Toutefois, la structure tertiaire des RDHs n’a encore jamais été résolue. Ces enzymes sont néanmoins reconnues pour être associées aux membranes cellulaires par leur segment N- et/ou C-terminal. Nous avons alors entrepris ce travail afin de caractériser la structure de ces enzymes et mieux comprendre leur interaction avec les membranes. Nous avons étudié dans un premier temps différentes portions du segment N- et C-terminal de la RDH11 et la RDH8 respectivement, par différentes méthodes spectroscopiques. Nous avons alors observé que les segments de ces deux enzymes agissent par deux modes d’action totalement différents. La RDH11 ferait appel à un segment N-terminal transmembranaire qui adopte une conformation hélicale peu importe sa longueur, alors que la RDH8 utiliserait un segment C-terminal qui adopte une structure secondaire variable selon la longueur et dont la liaison est périphérique à la membrane. En plus, la liaison de la RDH8 par son segment C-terminal serait potentiellement facilitée par une ou plusieurs acylations situées au niveau de certaines cystéines. Les mesures de pression d’insertion maximale ont permis de comparer les interactions entre des segments de longueur variable en N-terminal de la RDH11 et en C-terminal de la RDH8 avec des monocouches de différents phospholipides. Ainsi, nous avons déterminé les interactions les plus favorables pour chacun de ces segments. Nous nous sommes focalisés par la suite sur l’étude de l’enzyme RDH8 et la comparaison de ses propriétés structurales, de stabilité et de liaison membranaire avec celles de sa forme tronquée RDH8t, dépourvue de son segment en C-terminal. Notons que nous avons mis au point un protocole adapté pour surexprimer et purifier la RDH8 et sa forme tronquée. À notre connaissance, il s’agit ici des premiers travaux de recherche rapportant la surexpression et la purification d’une RDH8 (bovine) complète dans un système procaryote (E. coli). Nous avons alors constaté que les deux formes de la RDH8, complète et tronquée, comprenaient majoritairement des hélices α en plus de la présence de feuillets β, en accord avec le motif de Rossmann fold suggéré dans la littérature pour cette famille d’enzymes. Il s’est avéré également que le segment C-terminal a un impact sur la stabilité de la RDH8 comme démontré par les mesures du contenu en structure secondaire de ces protéines en fonction des conditions de stockage et dans les expérimentations de dénaturation thermique. Enfin, les mesures de pression d’insertion maximale (PIM) et de synergie ont démontré que le segment C-terminal facilitait la liaison membranaire de la forme complète par rapport à la forme tronquée, notamment dans le contexte de phospholipides portant une tête polaire chargée négativement. L’interaction membranaire de la RDH8 pourrait donc impliquer des interactions électrostatiques. Des expériences de spectroscopie de fluorescence ont permis de confirmer l’implication du segment C-terminal dans la liaison de la RDH8 avec des bicouches lipidiques grâce à la présence de deux résidus tryptophanes uniquement dans son segment C-terminal. / In the retina, retinol dehydrogenases (RDHs) play a crucial role in the visual cycle allowing a good vision. The first step of the visual cycle is taking place in photoreceptors where RDH8 is located and then in the retinal pigmented epithelium (RPE) where RDH11 can be found. RDH11 is likely anchored to membranes by means of its N-terminal segment whereas RDH8 has been postulated to be membrane bound via its C-terminal segment. So, to better evaluate the role of the N-terminal segment of RDH11 and the C-terminal segment of RDH8 in the membrane binding of these proteins, different variants (Long and Short) of the aforementioned segments have been studied. In addition, mutations of the C-terminal segment of RDH8 have been introduced to monitor their interaction with lipid monolayers or bilayers. We have thus analyzed the secondary structure content of these segments by conventional spectroscopic methods such as circular dichroism (CD) and attenuated total reflectance (ATR) infrared spectroscopy whereas their interaction with phospholipids have been mainly monitored by surface pressure measurements when using monolayers and fluorescence spectroscopy for bilayers. Overall, we found that the N-terminal segment of RDH11 adopts an α-helix conformation acting as a transmembrane domain. Values of maximum insertion pressure (MIP) and synergy suggested a preferential binding of the RDH11 Long-peptide to phosphoethanolamine, which are abundant in the RPE. In the case of RDH8, our findings suggest an important role of the long C-terminal segment in membrane binding, which is supported by its helical content and the larger values of MIP and synergy. We also compared the behavior of RDH8 and its truncated form (RDH8t, without its C-terminal segment) to better understand the involvement of this segment in membrane binding. Thus, both enzymes have been expressed in E. coli, purified by affinity chromatography and studied by the spectroscopic methods mentioned above and by using MIP and synergy measurements. RDH8 and RDH8t display a secondary structure content in agreement with their predicted Rossmann fold. Interestingly, the removal of the C-terminal segment decreased the temporal and thermal stability of these enzymes. In addition, this segment contributes to protein-lipid interaction especially in presence of negatively charged phospholipids likely through electrostatic interactions. The involvement of the C-terminal segment of the RDH8 in its membrane anchoring has been further confirmed by fluorescence measurements of its two Trp residues located in this segment. The present characterization of RDH8 is a first step paving the way for the elucidation of its structural and functional features to gain a better understanding of its role within the visual cycle and investigating mechanisms of retinal pathogenesis.

En raison de ses performances mécaniques exceptionnelles, la soie d’araignée constitue un biomatériau qu’il serait intéressant de reproduire industriellement. Il est cependant impératif de mieux connaître les relations existant entre sa structure et ses propriétés. D’ailleurs, en présence d’eau, cette fibre subit une contraction qui altère ses propriétés mécaniques de même que sa structure moléculaire. Comme cette contraction est intimement liée au processus de filage, une meilleure compréhension de la supercontraction mènerait à une meilleure connaissance de la soie elle-même. Toutefois, la quantité d’informations structurales quantitatives sur la soie dans la littérature est insuffisante. Plus précisément, les structures de la soie en solution et des fibres de soie n’ont jamais été comparées et peu d’études comparent la soie de plusieurs espèces d’araignées, autant à l’état natif que supercontracté. Les contributions des différents facteurs dictant la structure finale de la soie et l’amplitude de la supercontraction restent également mal définies, tout comme les impacts de ce phénomène sur la conformation et l’orientation des protéines. Les objectifs du projet visaient donc à combler ces lacunes en quantifiant la structure moléculaire de la soie dans ses différents états (en solution et fibres natives et supercontractées). Les travaux ont été réalisés à l’aide de la spectromicroscopie Raman sur la soie des araignées Nephila clavipes (NC) et Araneus diadematus (AD). Les résultats ont montré que la conformation des protéines en solution n’est pas déterminante pour la structure finale des fibres. Une proportion de feuillets β et une orientation plus élevées pour la soie de NC, comparativement à celle d’AD, ont aussi été trouvées, expliquant partiellement les différentes propriétés mécaniques et amplitudes de supercontraction observées pour ces fibres. Nos données suggèrent également que la supercontraction induit une légère augmentation de feuillets β, de même qu’une perte d’orientation significative, principalement au sein de la phase amorphe. / Due to its exceptional mechanical performance, spider silk is a biomaterial that would be interesting to reproduce industrially. To this end, the relationships between its structure and its properties have to be known accurately. Moreover, in the presence of water, this fiber undergoes a contraction which alters its mechanical properties as well as its molecular structure. As this contraction is intimately related to the spinning process, a better understanding of supercontraction would lead to a better knowledge of silk itself. However, several quantitative structural information regarding silk is lacking in the literature. More precisely, the structures of silk in solution and silk fiber have never been compared and only few studies compare the silk of several spider species, whether in its native or supercontracted state. The contributions of the different factors determining the final structure of silk and the amplitude of supercontraction also remain undefined, as are the impacts of this phenomenon on the conformation and orientation of silk proteins. The aims of this project were thus to overcome these shortcomings by quantifying the molecular structure of silk in its different states (in solution and native/supercontracted fibers). This work was carried out using Raman spectromicroscopy in order to analyze the silk of the spiders Nephila clavipes (NC) and Araneus diadematus (AD). The results showed that the conformation of the proteins in the dope is not critical for the final structure of the fiber. A higher proportion of β-sheets and orientation level for NC silk compared to that of AD were also found, partially explaining the different mechanical properties and amplitude of supercontraction observed for these fibers. Our data also suggest that supercontraction induces a slight increase in β-sheets, as well as a significant disorientation, mainly within the amorphous phase.

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La recoverine est impliquée dans la cascade de la phototransduction. C’est une neuroprotéine sensible aux ions calcium. Cette famille de protéines comprend quatorze membres qui ont des caractéristiques structurales communes comme la présence de quatre motifs EF-hand, la liaison du calcium et la N-myristoylation. Le phénomène de calcium-myristoyl switch a été démontré sans ambiguïté uniquement pour la recoverine; il s’agit d’un changement de structure tertiaire qui est modulé par la concentration en calcium. Ainsi, en absence de calcium, la recoverine est dans une conformation cytosolique avec son groupement myristoyle enfoui dans une poche hydrophobe. À concentration élevée en calcium, la recoverine lie deux ions calcium, ce qui résulte en l’extrusion du groupement myristoyle de sa poche hydrophobe et lui permet d’être recrutée à l’interface membranaire. La recoverine est donc une protéine périphérique de la membrane des disques du segment externe des bâtonnets dont la composition lipidique est unique. En effet, cette membrane possède le plus haut contenu en chaînes acyle polyinsaturées parmi tous les lipides du corps humain. De plus, les lipides sont majoritairement zwitterioniques avec la phosphatidylcholine et la phosphatidyléthanolamine. Aussi, il existe un faible pourcentage de lipides chargés négativement, notamment la phosphatidylsérine, qui jouent un rôle dans l’interaction membranaire de la recoverine. L’utilisation de systèmes lipidiques modèles, tels que les vésicules multilamellaires et les bicouches lipidiques orientées mécaniquement, permet de cibler l’influence de chacune des composantes de la membrane. L’objectif général de ce projet de thèse, divisé en quatre objectifs spécifiques, était de déterminer l’influence de la présence du calcium, de la myristoylation de la recoverine et de la composition lipidique sur l’interaction membranaire de la recoverine. Le premier objectif spécifique consistait à déterminer la stabilité structurale de la recoverine myristoylée ou non myristoylée en absence et présence de calcium. La spectroscopie infrarouge a permis de constater que la recoverine est stable structuralement à la température ambiante et corporelle. La présence de calcium audessus d’un certain ratio avec la recoverine assure sa stabilité structurale jusqu’à une température de 65 °C; l’agrégation de la recoverine est observée au-dessus de cette température. La myristoylation de la recoverine augmente sa stabilité thermique. Le deuxième objectif spécifique était de comprendre le rôle des lipides chargés négativement sur l’interaction membranaire de la recoverine. Nous avons ainsi démontré que la recoverine nécessite un minimum de calcium pour conserver sa stabilité thermique en présence de phosphatidylglycérol qui lie aussi le calcium et réduit ainsi la quantité disponible pour la recoverine. La fonte des complexes entre le calcium et le phosphatidylglycérol favorise l’interaction membranaire avec la recoverine en augmentant davantage la température de transition de phase de ces lipides. Le troisième objectif spécifique consistait à caractériser l’effet de la fluidité membranaire sur l’immobilisation de la recoverine en utilisant différentes chaînes acyle de la phosphatidylcholine. La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à l’état solide du deutérium a été employée en utilisant un groupement myristoyle perdeutéré. Nous avons ainsi confirmé le phénomène de calcium-myristoyl switch de la recoverine selon la concentration en calcium. De plus, nous avons aussi montré qu’une fluidité membranaire optimale est nécessaire pour l’immobilisation membranaire du groupement myristoyle. Le quatrième objectif spécifique était d’analyser l’interaction membranaire de la recoverine avec la dioléoylphosphatidylcholine. La spectroscopie infrarouge a montré que la recoverine reste stable thermiquement en présence de ces lipides et ne perturbe pas leur organisation. La recoverine non myristoylée augmente légèrement l’hydratation des lipides qui est corrélée avec une hausse de la diffusion latérale des lipides tel que déterminée par la technique de centerband-only detection of exchange (CODEX) en spectroscopie de résonance magnétique à l’état solide du phosphore-31. La spectroscopie de résonance magnétique du fluor-19 a permis d’observer le calcium-myristoyl switch et l’immobilisation du groupement myristoyle de la recoverine dans la membrane en présence de calcium, ainsi que deux environnements différents pour le groupement myristoyle en absence de calcium. En conclusion, le calcium permet l’interaction membranaire et de conserver la recoverine stable thermiquement. La myristoylation de la recoverine permet son ancrage dans la membrane et augmente l’interaction avec les phosphatidylglycérols. Finalement, une fluidité membranaire optimale est nécessaire à l’ancrage de la recoverine dans la membrane et la charge négative des lipides augmente l’interaction membranaire de la recoverine. / Recoverin is evolved in the phototransduction cascade. It is a neuronal calcium sensor. This protein family of fourteen members shares common structural characteristics such as the presence of four EF-Hand motifs, the binding of calcium and the N-myristoylation. The phenomenon of calcium-myristoyl switch has been demonstrated without ambiguity only for recoverin; it is a change in tertiary structure which is triggered by calcium concentration. So, in the absence of calcium, recoverin is in a cytosolic form with its myristoyl moiety hidden in a hydrophobic pocket. At high calcium concentration, recoverin binds two calcium ions which in turn leads to the extrusion of its myristoyl moiety from the hydrophobic pocket and to its recruitment at the membrane. Recoverin is closely bound to rod outer segment disk membranes which present a unique lipid membrane composition. Indeed, this membrane displays the highest content of polyunsaturated lipid acyl chains in the human body. Moreover, the lipid polar headgroup is in majority zwitterionic with phosphatidylcholine and phosphatidylethanolamine. Also, a small amount of the negatively charged phosphatidylserine is present, which seems to play a role in the membrane interaction of recoverin. Using lipid model systems such as multilamellar vesicles and mechanically oriented lipid bilayers allows to more properly characterize the role of each membrane component. The aim of this thesis project, divided in four specific objectives, was to gain information on recoverin membrane interaction by studying the influence of the presence of calcium, of recoverin myristoylation and of membrane composition. The first specific objective was to determine the structural stability of myristoylated or non myristoylated recoverin in the absence and presence of calcium. Recoverin is structurally stable at ambient and body temperature as shown by infrared spectroscopy. The presence of calcium beyond a specific calcium:recoverin ratio allows protein structural stability up to 65 °C, recoverin aggregation is observed above this temperature. The second specific objective was to understand the role of negatively charged lipids on recoverin membrane interaction. We have demonstrated that recoverin needs a minimal amount of bound calcium to preserve its thermal stability since phosphatidylglycerol binds calcium, which reduces the concentration of calcium available for recoverin. The melting of complexes between calcium and phosphatidylglycerol favors membrane interaction of recoverin by further increasing the lipid phase transition temperature. The third specific objective was to investigate the effect of membrane fluidity on the recoverin immobilization using phosphatidylcholine bearing different lipid acyl chains. Deuterium solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy was used with a perdeuterated myristoyl moiety on recoverin. We have thus confirmed the dependence of the calcium-myristoyl switch phenomenon on calcium concentration. Moreover, we have shown that an optimal membrane fluidity is required for the membrane immobilization of the myristoyl moiety of recoverin. The fourth specific objective was to study the recoverin membrane interaction with dioleoylphosphatidylcholine. Infrared spectroscopy has shown that recoverin does not perturb lipid bilayer organization and remains thermally stable in the presence of these lipids. Non myristoylated recoverin increases slightly lipid hydration that is correlated to an increase in lipid lateral diffusion as seen with centerband-only detection of exchange (CODEX) pulse sequences by phosphorus-31 solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy. 19-Fluorine nuclear magnetic resonance spectroscopy allows the observation of the calcium-myristoyl switch and of recoverin myristoyl moiety membrane immobilization in the presence of calcium as well as two different environments for the recoverin myristoyl moiety in the absence of calcium. In conclusion, calcium allows recoverin membrane interaction and thermal stability of recoverin. Recoverin myristoylation allows its anchorage in the membrane and increases interaction with phosphatidylglycerol. Finally, an optimal membrane fluidity is required for recoverin membrane anchorage and negatively charged lipids increase recoverin membrane interaction.

La structure moléculaire des polyéthylènes se caractérise par des quantités de branchements longs et des répartitions de branchements courts différentes le long de leurs chaînes. A l'heure actuelle, les longues ramifications sont caractérisées principalement par rhéologie et la distribution des ramifications courtes, par des techniques de fractionnement par cristallisation. Nous avons exploré de nouvelles méthodes d'analyse : la rhéologie par transformée de Fourier, la rhéologie exponentielle et la cristallisation par auto-ensemencement (microscopie optique et DSC) qui présentent l'avantage d'être rapides, faciles à mettre en œuvre et d'utiliser peu de polymère.En rhéologie, le polymère est soumis à de grandes déformations en régime transitoire avec des rhéomètres classiques. En rhéologie par transformée de Fourier, des déformations dynamiques de grandes amplitudes sont appliquées et l'analyse porte sur l'évolution de la 3ième harmonique du spectre de la réponse en contrainte du polymère en fonction de l'amplitude de la déformation appliquée. En rhéologie exponentielle, une déformation augmentant exponentiellement au cours du temps est appliquée sur le matériau comme lors d'un écoulement en élongation. Cependant, cet écoulement reste un écoulement de cisaillement où les polymères, ramifiés ou linéaires, présentent un phénomène d'adoucissement à grande déformation. Ces méthodes révèlent alors qu'un écoulement en cisaillement est sensible à la présence d'une faible quantité de ramifications longues dès lors que de grands taux de cisaillement sont appliqués. Le principal frein au développement de ces méthodes est lié à l'absence de modèles théoriques pertinents permettant de déduire du comportement des polymères, une information structurale sur leurs chaînes. L'auto-ensemencement permet d'accélérer les cinétiques de cristallisation. La microscopie optique présente l'avantage par rapport à la DSC de pouvoir estimer, à chaque palier de cristallisation, la quantité de polymère cristallisé à l'équilibre thermodynamique. Par contre, elle fournit plus difficilement une information sur l'épaisseur des lamelles cristallines. Cependant, quelle que soit la technique utilisée, nous avons montré que l'auto-ensemencement permet de réduire les temps d'analyse tout en donnant des bases théoriques plus fiables pour l'analyse.

Ce document traite des aspects différents de la modélisation moléculaire d'une protéine de la matrice extracellulaire. Le domaine de signature des thrombospondines est étudié en détail dans ce document en faisant appel aux champs variés de la science. La complexité de ce domaine nécessite l'utilisation des approches de la mécanique quantique moléculaire en plus de la dynamique moléculaire classique. En reliant les deux approches un nouveau algorithme a été développé afin d'attribuer des charges partielles à partir des résultats obtenus par des méthodes ab-initio. Pour implémenter cet algorithme d'une façon efficace, les nouvelles méthodes de la programmation massivement parallèle ont été utilisées qui nous permettent entre autres de faire tourner cet algorithme sur les procsesseurs graphiques. Nous avons également utilisé et développé des nouvelles méthodes de la visualisation moléculaire rapprochant l'art à la science. En plus, de ces développements nous avons obtenus des résultats intéressants sur la dynamique du domaine de signature. Nous avons pu identifier les ions échangeables de ce domaine. Nous avons vérifié et élargie les modèles existants de la thrombospondine dans des concentrations faibles de calcium. En utilisant la dynamique moléculaire nous avons également évalué des sites importants de fixations pour le développement de nouveaux médicaments contre le cancer.

Depuis quelques années, un intérêt marqué pour les pigments de cuve a fait son apparition dans la littérature. Longtemps considérés comme des produits destinés exclusivement à la chimie fine industrielle, les pigments sont de plus en plus utilisés en recherche académique. Ils sont produits à l’échelle de la tonne pour des sommes avantageuses et leurs structures complexes permettent d’accéder à des molécules prisées en peu d’étapes synthétiques. La plupart de ces pigments sont des hydrocarbures aromatiques polycycliques possédant parfois des hétéroatomes, ce qui en fait des molécules de choix pour l’étude de la relation structure-propriété. En conjonction avec le développement des aromatiques polycycliques, l’étude des composés diradicaloïdes ayant des propriétés hors du commun est en plein essor dans la littérature scientifique. Les travaux présentés dans cette thèse rapprochent donc ces deux domaines. Le cœur anthanthrone, un aromatique polycyclique à la réactivité singulière causée par sa géométrie, permet l’exploration de concepts originaux pour la chimie des composés organiques en couche ouverte. Tout d’abord, un composé à base d’anthanthrone a permis le développement d’une nouvelle méthode pour obtenir des molécules diradicalaires. Il est démontré que la congestion stérique des diphénylméthanes et du cœur anthanthrone se faisant face, facilite une transformation structurelle vers une molécule ayant deux électrons non-appariés. Étonnamment, cette transformation peut avoir lieu à l’état solide en appliquant de faibles pressions. Ainsi, il est possible de briser des liens doubles avec ses propres mains à l’aide d’un pilon et mortier. Ensuite, une molécule similaire utilisant les diphénylamines permet aussi l’obtention de composés en couche ouverte lorsque doublement oxydés. Le produit obtenu est donc isoélectronique à son homologue tout carbone. Encore une fois, la géométrie du cœur anthanthrone produit deux systèmes π perpendiculaires, empêchant la recombinaison des radicaux. Pour poursuivre sur ces composés et augmenter la densité de spin, un polymère « polyradical cation » avec des propriétés optoélectroniques intéressantes a été synthétisé. Finalement, le dernier chapitre de cette thèse exploite toujours la géométrie de l’anthanthrone mais dans un contexte complètement différent. Grâce à la structure unique de l’anthanthrone, il est possible d’obtenir une émission induite par agrégation dans la région du proche infrarouge / For several years, a keen interest in vat dyes emerged in the literature. Long considered exclusively for the specialty chemical industry, pigments are increasingly used in academia. They are mass-produced at a low cost and their complex structures allow valued molecules to be obtained in few synthetic steps. Most of these pigments are aromatic polycyclic hydrocarbons (PAHs) sometimes including heteroatoms, making them molecules of choice for the study of structure-property relationship. With the development of PAHs, the study of biradicaloids having outstanding properties is thriving in the scientific literature. The work presented in this thesis brings together these two fields of study. The anthanthrone core, a polycyclic aromatic with a singular reactivity caused by its geometry, allows for the exploration of original concepts for the chemistry of organic open-shell compounds. First of all, anthanthrone-based molecules allowed the development of a new method to obtain open-shell diradicals. It was found that the steric congestion of the diphenylmethane and the anthanthrone core facing each other, facilitate the structural transformation towards a molecule having two unpaired electrons. Surprisingly, this transformation can proceed in the solid state at low pressures. Thus, it is possible to break double bonds with bare hands using a mortar and pestle. Next, similar molecules with diphenylamines also allow the formation of open-shell compounds when doubly oxidized. The obtained products are isoelectronic to their all-carbon counterpart. Again, the geometry of the anthanthrone core produces two perpendicular π-systems, preventing the recombination of the radicals. To follow-up with similar compounds and increase the spin density, a polymer “polyradical cation” possessing intriguing optoelectronic properties was synthesized. Finally, the last chapter of this thesis still exploit the geometry of the anthanthrone dye but in a completely different context. With the unique structure of this core, it is possible to obtain aggregation-induced emission in the near infrared region.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / L'avancement technologique des sources de rayonnement laser est tel qu'il permet désormais l'observation résolue en temps des phénomènes se déroulant dans les atomes et les molécules sous l'effet de champs intenses et de très courte durée [1, 2]. La complexité croissante de ces expériences et des processus auxquels elles s'intéressent suscite plusieurs questions à propos de la dynamique multiélectronique de ces systèmes. Par exemple, dans un travail récent portant sur la molécule de CO₂ [3], une technique d'imagerie moléculaire exploitant les interférences dans le signal d'émission des harmoniques élevées a été proposée. Ces interférences qui dépendent fortement de la géométrie moléculaire sont également influencées par divers effets multiélectroniques déterminant l'importance relative des différentes voies d'ionisation possibles de la molécule sondée rendant difficile leur interprétation. Il est donc très important de développer des modèles théoriques suffisamment précis pour pouvoir s'adresser à de telles interrogations. La compréhension du déroulement de ces processus permet d'avoir une meilleure emprise sur ceux-ci et de tirer une juste part de ce type d'expérience. Ainsi, nos développements méthodologiques récents s'inscrivent dans cette ambition de dévoiler la nature des effets multiélectroniques sur la dynamique des molécules polyélectroniques dirigées par un champ laser intense. Le développement complet de ce schéma général multi-configurationnel à champ autocohérent dépendant du temps (TDMCSCF) [4, 5] sera présenté et illustré avec quelques résultats préliminaires obtenus pour des systèmes simples. Finalement, on discutera de quelques applications utiles de l'étude de la dynamique électronique, telle que l'imagerie moléculaire dynamique.

La soie d’araignée, notamment la soie produite par la glande ampullacée majeure (Am), est reconnue comme ayant une ténacité élevée, une bonne résistance mécanique tout en demeurant extensible. Sa structure moléculaire et ses propriétés sont influencées par des facteurs externes comme l’humidité relative et la vitesse de filage. La fibre, par exemple, se contracte de près de la moitié de sa longueur lorsqu’elle est exposée à une humidité élevée, un phénomène nommé supercontraction. Cette étude vise à mieux connaître les propriétés de la soie naturelle et à développer éventuellement une fibre synthétique équivalente. Nous avons caractérisé les fibres de soie Am par spectromicroscopie Raman en lumière polarisée et par résonance magnétique nucléaire (RMN) à l’état solide. La première technique permet de quantifier l’orientation des protéines de soie et de caractériser leur structure secondaire. La RMN permet de déterminer la structure secondaire et la dynamique de relaxation des acides aminés. Les fibres Am de deux espèces d’araignées, Nephila clavipes et Araneus diadematus, ont été obtenues par filage forcé à différentes vitesses (de 0,3 à 2,0 cm/s) et soumises à des taux d’humidité relative supérieurs à 90%. Deux groupes d’araignées ont été marqués isotopiquement avec des solutions de 1-13C-Gly et 1-13C-Ala afin d’analyser la structure et la dynamique d’acides aminés particulièrement importants. Les résultats montrent que l’amplitude de la supercontraction augmente avec la vitesse de filage. Les données indiquent qu’à 1,0 cm/s, l’orientation moléculaire est maximale et qu’elle diminue au-dessus et au-dessous de cette vitesse. Ceci suggère qu’il existe une vitesse de filage pour laquelle les propriétés sont optimales. Les temps de relaxation T1 et T1r des échantillons marqués concordent avec les résultats de spectromicroscopie Raman et suggèrent que les microcristaux de feuillets b de la soie subissent une contraction qui renforce les liaisons intermoléculaires en présence d’eau. / Spider silk, especially the silk produced by the major ampullate glands (Am), is known to have high tenacity, good resistance, and yet remains extensible. Its molecular structure and properties are influenced by external factors such as relative humidity and spinning speed. Fibers, for example, shrink by almost half their length when exposed to high humidity, a phenomenon called supercontraction. This study is intended to better understand the properties of natural spider silk and therefore aid the development of an equivalent synthetic fiber. We characterized Am silk fibers by polarized-light Raman spectromicroscopy and solid-state nuclear magnetic resonance (NMR). The first technique allows for quantification of the orientation of the protein chains and characterization of their secondary structure. Solid-state NMR is used to determine the secondary structure and dynamics of amino acids. The silk of two spider species, Nephila clavipes and Araneus diadematus, was obtained by forced spinning at different speeds (from 0.3 to 2.0 cm/s) and subjected to relative humidity levels greater than 90%. Two groups of spiders were isotopically labeled with 1-13C-Gly and 1-13C-Ala solutions in order to analyze the structure and dynamics of particularly important amino acids. The supercontraction results show that the amplitude of the supercontraction increases with the reeling speed. The data show that at a reeling speed of 1.0 cm/s, the molecular orientation is maximum and decreases above and below this value. This suggests that there is a spinning speed where the properties are optimal. The measurements of the relaxation times T1 and T1r of the labelled samples are consistent with Raman spectromicroscopy results and suggest that b-sheet microcrystals of silk undergo a contraction which strengthens the intermolecular bonds in the presence of water.

Malgré un large éventail d'applications de la gélatine et en dépit de son utilisation très ancienne, sa composition et sa structure ne sont pas encore entièrement connues et comprises. La gélatine est obtenue à partir de tissus animaux (peaux ou os) et est le résultat de l'hydrolyse partielle du collagène. La production de gélatine la plus abondante est celle de peau de porc qui représentait 46% de la production totale en 2007. Parmi les nombreuses applications, la gélatine de peau de porc est utilisée comme ingrédient principal des gélules dures pour l'industrie pharmaceutique. Une propriété importante de ces gélules est qu'elles fondent dans l'eau à une température au-dessus de 30° C et libèrent facilement les médicaments qu’elles contiennent dans le tube digestif. Les gélules dures doivent répondre à des spécifications de dissolution strictes tout au long de leur durée de conservation d'environ cinq ans. Ainsi, un test de dissolution dans l'eau est appliqué à la gélatine artificiellement vieillie dans des conditions de température et d'humidité élevées. Bien qu'avant le vieillissement le taux de dissolution de la gélatine corresponde toujours aux besoins de l'industrie pharmaceutique, une grande variabilité du taux de dissolution est observée après vieillissement. De plus, cette variabilité de dissolution dépend de l'origine de production de la gélatine. Dans ce contexte, un premier objectif était de comprendre les mécanismes sous-jacents impliqués dans la variabilité de la qualité de dissolution de la gélatine de peau de porc. Un deuxième objectif était d'identifier d'éventuels "marqueurs" de la dissolution de la gélatine afin de prédire son comportement au cours du vieillissement. Trois différents sites de production ont été choisis: deux en Europe et un aux USA. Au cours du vieillissement, la formation de cross-links a été mise en évidence et parmi ces cross-links, la dityrosine a été identifiée comme marqueur du vieillissement. En outre, les taux d'amines et d'aldéhydes ont diminué. Etant donné que ces deux fonctions sont connues pour réagir ensemble; ce résultat suggère qu'elles pourraient former d'autres cross-links au cours du vieillissement. Le processus d'oxydation dans la gélatine a été clairement démontré. De plus, la quantité de triple-hélices et leur stabilité au chauffage ont diminué alors que la quantité de conformation aléatoire et, probablement, de boucles-β augmente. Les résultats ont mis en évidence que l'origine de production affecte la composition chimique de la gélatine. Par exemple, la quantité de cross-links formés, comme la dityrosine, dans les gélatines fraîches et vieillies, différait selon l'origine de production. Nous avons également pu souligner que l'environnement physico-chimique de l'arginine permettait de distinguer l'origine de production de la gélatine. En ce qui concerne la dissolution de la gélatine, celles présentant des taux de dissolution non conformes avaient plus de phase amorphe après vieillissement que les gélatines conformes. L'implication des lipides dans la diminution de la dissolution de la gélatine a également été mise en évidence. La haute teneur en fer était également liée à la diminution de la dissolution mais seulement dans un site de production, ce qui suggère que la variabilité de dissolution a probablement des causes multifactorielles et dépendantes de l'origine de production.Avec le dichroïsme circulaire, nous avons pu discriminer les gélatines conformes des non-conformes avant même le vieillissement de ces gélatines. Cependant, l'interprétation des résultats reste très difficile en raison du manque d'information dans la littérature. Un tel résultat est important pour prédire le comportement de la gélatine avant le vieillissement. De manière générale, nos résultats ont mis en évidence qu’il serait pertinent de contrôler et de réduire le niveau d'oxydation et la teneur en lipides de la gélatine pour diminuer sa variabilité de dissolution. (...) / Despite a wide range of applications of gelatin and despite its very former use, gelatin composition and structure remains not fully known and understood. It is derived from animal tissue (skins or bones) and is the result of partial hydrolysis of collagen. The most abundant gelatin production, which is the focus of the present work, is pig skin gelatin which represented 46% of total production in 2007. Among numerous applications, gelatin is used as the main ingredient of the hard capsules for the pharmaceutical industry. An important property of hard capsules is that they melt in water at a temperature above 30°C and easily release drugs in the human digestive tract. Hard capsules have to meet strict dissolution specifications all along a shelf life of about five years. Thus, a dissolution test in water is applied to the gelatin constituting the hard capsules, after being artificially aged under high temperature and humidity conditions. While before aging the dissolution rate of gelatin always fit with requirement of pharmaceutical industry, a high variability in dissolution rate is observed after aging. Moreover, this dissolution variability was shown depending on the gelatin origin of production. In this context, a first objective of this work was to understand the underlying mechanisms involved in the variability of the dissolution quality of pig skin gelatin. A second objective was to identify possible “markers” of gelatin dissolution in order to predict the behaviour of gelatin through aging. Three different sites of production were chosen: two in Europe and one in USA. Cross-links formation was evidenced during aging, and among them, dityrosine was expressly identified as a marker of aging. In addition the levels of amines and aldehydes were decreased. Given that these two functions could react together; this result suggests that they could form other cross-links. Oxidation process in gelatin was clearly demonstrated. Furthermore, the quantity of triple-helices and their stability to heating decreased while the quantity of random coil and, probably, β-turns conformations increased. The results highlighted that origin of production impacts the chemical composition of gelatin. For instance, the extent of cross-link formation, such as dityrosine, in both fresh and aged gelatins, differed according to the origin of production. It was also pointed out that the physico-chemical environment of arginine allowed the distinction of production origin of gelatin. Regarding the gelatin dissolution, those showing non-compliant dissolution rates exhibited higher content of amorphous phase after aging than compliant ones. The implication of lipids in the decrease of gelatin dissolution rate was also evidenced. The decrease in dissolution was linked to the iron content only in one production site supporting the fact that dissolution variability has probably multifactorial causes, depending on the origin of production. The compliant and non-compliant dissolution rates were discriminate even before aging of gelatins by circular dichroism. However, the results interpretation remains quite difficult due to lack of literature information.Such a result is of importance in a view of predicting the behavior of gelatin before aging. To display a general overview, our results highlighted that, in order to reduce variability in the dissolution of gelatin, controlling and reducing the oxidation level and the lipid content will be relevant levers. To study the structural conformation thoroughgoing small angles neutrons would be an interesting tool. To complete the characterization of gelatin composition, quantifying and profiling lipids and sugars would be useful to better understand the gelatin oxidative instability.