: Chez la bactérie Clostridium acetobutylicum, la production de dihydrogène est catalysée par des hydrogénases, enzymes impliquées dans l’oxydation de la ferrédoxine réduite, qui permet la réduction des protons et la formation du gaz. Toutes les hydrogénases à fer partagent un domaine protéique très conservé (le Domaine H), hébergeant le site catalytique inorganique (le Cluster H). L’enzyme CaHydA de C. acetobutylicum, possède également le Domaine F contenant en tous quatre centres fer-soufre dits accessoires. Au cours de ces travaux, l’implication des centres fer-soufre du Domaine F sur les capacités catalytiques de l’enzyme a été étudiée, ainsi que les mécanismes de transfert d’électrons entre l’enzyme et son partenaire physiologique d’oxydoréduction principal : la ferrédoxine 2[4Fe-4S]. Différents variants ciblés de l’hydrogénase ont été créés, produits puis purifiés afin de les caractériser par une combinaison de méthodes biochimiques, électrochimiques, spectroscopiques et de modélisation moléculaire. Ceci a permis de mettre en évidence pour la première fois l’implication des centres fer-soufre accessoires du Domaine F dans les capacités catalytiques de l’enzyme. Enfin, il a été démontré que le centre [2Fe-2S] de surface FS2 de l’enzyme était le point d’entrée des électrons provenant de la ferrédoxine réduite. / The hydrogenase of Clostridium acetobutylicum catalyses the oxydation of reduced ferredoxin, leading to reduction of protons and dihydrogen formation. Among the three different classes of hydrogenases, the [Fe-Fe] Hydrogenases harbor a very conserved domain (H-Domain) containing the inorganic catalytic site (Cluster H). CaHydA from C. acetobutylicum possesses, in addition, the F-Domain containing four accessory iron-sulfur clusters. The involvement of accessory iron-sulfur cluster of F-Domain on the catalytic capacities of the enzyme has never been assessed. Moreover, which of the two surface iron-sulfur cluster of the F-Domain who interacts with the physiological redox partner ferredoxin is unknown. Different CaHydA mutants enzymes, modified in the Fe-S cluster composition of the F-Domain have been purified, and spectroscopically, biochemically and electrochemically characterized. These mutants enzymes, impaired in their catalytic activity both in solution and wired to an electrode, suggested, for the first time that the Fe-S clusters of the F-Domain have a long-range thermodynamic effect on the H-cluster and modulate enzyme’s functions. Moreover, it has been shown, and confirmed by molecular modelling, that the [2Fe-2S] surface cluster FS2 of the enzyme is the entry point for the electrons coming from the reduced ferredoxin.

Nous avons cherché dans ce travail à élaborer un biofilm artificiel électroactif dans le but de promouvoir les réactions de transfert extracellulaire d’électrons (EET) en reconstituant artificiellement un biofilm en présence de matériaux exogènes. Un matériau composite auto-assemblé constitué de cellules bactériennes (Shewanella oneidensis), de nanotubes de carbone et de cytochromes c exogènes (issue de cellules de cœur de bœuf) a été tout d’abord proposé. Le processus d’auto-assemblage a été étudié par diffusion de lumière dynamique, microscopie électronique à balayage et spectroscopie Raman. Ces analyses ont mis en évidence l’importance du cytochrome exogène dans l’assemblage et l’organisation du matériau. La viabilité bactérienne a été étudiée et l’activité métabolique a été caractérisée par électrochimie. Les courants à l’anode étaient 10 et 4 fois plus importants avec ce biofilm artificiel (0,027 A m-2) qu’avec les électrodes modifiées par les bactéries seules (0,003 A m-2) ou associées au cytochrome c (0,007 A m-2). Le biofilm artificiel a été testé en substituant S. oneidensis par Pseudomonas fluorescens, produisant un courant d’oxydation lors de l’ajout de 1,5 mM de glucose. Le cytochrome c possède, outre son rôle structurant, une activité de navette à électrons. Son potentiel redox, 254 mV (vs NHE), était adapté à l’oxydation du formiate mais inadapté à la réduction du fumarate. Pour cette raison, il a été substitué par d’autres cytochromes (c3DvH, c7Da, c553DvH, c3DdN ou c3Dg) possédant des potentiels redox plus bas, de 20 mV à -400 mV. Ces cytochromes variaient aussi au niveau de leur charge à pH neutre, permettant de valider l’importance des forces électrostatiques dans l’assemblage du biocomposite. Les résultats optimaux obtenus avec c3DvH et c7Da ont montré l’importance du potentiel redox des éléments exogènes pour l’EET. Nous avons ensuite remplacé le cytochrome c par la protamine. Cette protéine non électroactive a permis l’assemblage du biocomposite tout en maintenant les transferts directs d’électrons entre les bactéries et les différents nanomatériaux testés. Les optimisations ont permis d’atteindre des courants cathodiques de plus de 12 A m-2 en présence de 50 mM de fumarate. Les expériences de stabilité ont montré la présence d’un courant biotique de 1,75 A m-2 après 24 h de réduction de 50 mM de fumarate / The aim of this PhD work was to design an artificial electroactive biofilm in order to optimize extracellular electron transfers (EET) by artificially reconstituting the biofilm in the presence of exogenous materials. A biocomposite material was proposed from the self-assembly of the bacteria Shewanella oneidensis with carbon nanotubes and cytochrome c (extract from bovine heart). The self-assembly was first studied by diffusion light scattering, scanning electron microscopy and Raman spectroscopy. These analyzes showed the importance of the cytochrome c in the assembly and organization of the biocomposite. Bacterial viability was studied and metabolic activity was characterized with the help of electrochemistry. The current at the anode was 10 and 4 times higher with the artificial biofilm (0.027 A m2) than with film composed with bacteria alone (0.003 A m2) or associated with cytochrome c (0.007 A m2). Artificial biofilm was also tested with Pseudomonas fluorescens instead of S. oneidensis, producing an oxidative current upon the addition of 1.5 mM glucose. That indicates cytochrome c has, in addition to its structuring role, an electron shuttle activity. Its redox potential, +254 mV (vs. NHE), was adapted to the oxidation of formate but was unsuitable for the reduction of fumarate. For this reason, it has been substituted by other cytochromes, c3DvH, c7Da, c553DvH, c3DdN, and c3Dg, possessing lower redox potentials, in the range of 20 mV to -400 mV. These cytochromes also varied at the level of their charge at neutral pH and allowed to validate the importance of the electrostatic forces in the assembly of the biocomposite. The optimal results obtained with c3DvH and c7Da showed the importance of the redox potential of the exogenous elements for the EET. We then replaced the cytochrome c with protamine. This non-electroactive protein allowed the assembly of the biocomposite by promoting direct electrons transfer between the bacteria and the different nanomaterials tested. The optimizations made it possible to reach cathodic currents of more than 12 A m2 in the presence of 50 mM of fumarate. The stability experiments showed the presence of a biotic current of 1.75 A m2 after 24 h of reduction of 50 mM of fumarate

Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans une thématique de modification de surfaces par le biais de monocouches auto-assemblées post-fonctionnalisables. L’objectif principal consiste à élaborer une méthode générique de modification de monocouches par des motifs moléculaires variés. Pour cela, les travaux se concentrent sur la mise au point d’une plateforme générique facilement fonctionnalisable par un motif d’intérêt et greffable sur électrode modifiée. La voie retenue consiste à utiliser deux réactions de "click chemistry" de type "CuAAC". La première réaction de CuAAC s’effectue en solution et permet de solidariser plateforme et motifs d’intérêt (principalement des dérivés ferrocényles). Les ligands ainsi obtenus ont été utilisés pour la complexation d’ions métalliques (Cu2+, Zn2+). Les ligands et les complexes ont été étudiés en solution par électrochimie ainsi que par spectroscopies UV-Visibles et RPE. La seconde réaction de CuAAC permet l’immobilisation des différents complexes de cuivre sur des électrodes pré-modifiées par des fonctions azoture, généralement à l’aide de monocouches auto-assemblées. Ce greffage s’effectue selon le mode opératoire de l’"électroclick auto-induite", c'est-à-dire que le complexe de cuivre à immobiliser est également catalyseur de la réaction de CuAAC. Les systèmes ainsi immobilisés (mono-, bi- ou tri-métalliques) ont pu être étudiés en terme de cinétique d’immobilisation, de cinétique de transfert d’électrons et en réactivité. Ce dernier point a par ailleurs fait l’objet d’une attention particulière pour le cas de la réduction électro-catalytique des ions nitrite par les complexes de cuivre (I), en solution et sur surface. / This work depends on functionalized surface theme using modification of selfassembled monolayers (SAMs). The main objective consists to elaborate a new general pathway to modify monolayers with miscellaneous objects of interest. For this, we decide to focus our work to synthesize a versatile platform handling two ethynyl arms. These functions are available to operate two CuAAC reactions. The first one is use for linking platform with object of interest (in general ferrocenyl derivatives). Ligands obtained by that way were used for complexation of Cu2+ and Zn2+ ions. Electrochemical and spectroscopic (UV-Visible and EPR) studies were performed on these compounds. The second CuAAC reaction is used to immobilize copper complexes on azide modified electrode (azide derivatives SAMs on gold and ITO or direct functionnalization of glassy carbon surface). The grafting is operating through “self-induced electroclick” method; this means the CuAAC reaction is catalysed by the copper complex which is immobilized. Functionalized electrodes were characterized by cyclic voltammetry. It appears that similar complexes have closed grafting kinetic. These studies also demonstrate the both influence of copper and spacer on a second electroactive site (ferrocene moieties). The reactivity of copper centre is evaluated for complexes in solution and immobilized on surface with electrocatalytic reduction of nitrite ions by copper (I) species. The catalytic efficiency strongly depends on potential of copper reduction. Also, similar complexes show a loss of catalytic power with immobilization on surface.

Les maladies d’Alzheimer et de Parkinson (MA et MP) sont des maladies neurodégénératives entrainant une diminution des fonctions cognitives et locomotrices et toujours dépourvues de traitements curatifs. La consommation d’huile d’olive et des polyphénols qu’elle contient atténuerait la survenue des démences telles qu’observées dans la MA ou la MP. À ce jour, ces composés phénoliques ont été étudiés de manière isolée afin de caractériser leur réactivité vis à vis des radicaux et leurs effets biologiques, mais les concentrations utilisées (5–100 µM) sont supérieures aux concentrations retrouvées dans le plasma (0.5-2,8 ng/ml). Jusqu’à présent, aucune étude n’a observé les effets de ces composés combinés, alors que l’oleuropéine et le tyrosol, des composés phénoliques parmi les plus abondants dans l’huile d’olive et que l’acide p-coumarique, un dérivé d’acide hydroxycinnamique, sont connus pour leurs activités antioxydantes et leur biodisponibilité. Dans un contexte cellulaire, les composés phénoliques agissent à travers leurs capacités de donneurs d’atomes d’hydrogène et/ou d’électrons, et impactent la régulation des défenses antioxydante. En conditions oxydatives, ils peuvent subir des modifications structurelles et mener à de nouveaux composés. L’impact cellulaire de ces derniers est encore peu étudié, car leur devenir dans le contexte d’un métabolisme oxydatif reste obscur. L’étude des métabolites issus de l’oxydation des composés phénoliques est donc d’une réelle importance afin d’approfondir les connaissances sur leurs mécanismes d’actions au niveau biologique. Nous avons émis l’hypothèse que la combinaison de l’oleuropéine, du tyrosol et de l’acide p-coumarique potentialise leurs effets neuroprotecteurs à travers leurs capacités de donneurs d’électrons et en lien avec la production des métabolites associés. Ce propose une approche pluridisciplinaire intégrant des composantes biologiques et des questions relevant de la physico-chimie, en s’appuyant sur des outils électrochimiques. En premier lieu, nous avons démontré que l’association de ces trois composés (Mix 1) permettait de potentialiser leurs effets neuroprotecteurs avec concentrations efficaces à 0.1 et 1µM, contrairement aux concentrations neuroprotectrices lorsque ces composés sont utilisés individuellement (5 à 10 fois plus élevées). Le Mix1 augmente la réactivité des composés phénoliques vis-à-vis d’espèces réactives de l’oxygène et permet une diminution de leur génération intracellulaire. Cette neuroprotection semble en partie médiée par une régulation des facteurs de régulation rédox endogènes. Dans un second temps, nous avons comparé le comportement en conditions oxydatives acellulaires de l’oleuropéine, du tyrosol et de l’acide p-coumarique individuellement et dans le Mix1. L’analyse en LC-MS2 des composés stables issus de l’oxydation du Mix 1 a montré une diminution des taux d’oxydation relatifs de chacun des composés, ainsi que la détection de trois néocomposés spécifiques de l’oxydation du Mix1. De plus, un effet neuroprotecteur significatif du Mix1 oxydé a été observé dès 1 et 5 nM, ce qui soutient l’hypothèse que les produits issus de l’oxydation des composés phénoliques peuvent participer aux effets biologiques des composés natifs. Notre troisième objectif était d’évaluer si les composés issus de l’oxydation des composés phénoliques pouvaient être générés dans un système biologique. L’analyse en LC-HRMS des extraits de cellules neuronales traitées avec le Mix1 en conditions oxydatives a révélé que ces composés étaient toujours présents sous leurs formes natives dans les cellules après plusieurs heures de traitement. Ce projet multidisciplinaire a permis d’observer les effets des composés phénoliques sous plusieurs angles. Il confirme qu’un effet neuroprotecteur de composés issus de l’oxydation est possible et ouvre la voie à de nouvelles approches pour le développement de formulations efficaces pour limiter le stress oxydatif au niveau cérébral. / Alzheimer and Parkinson diseases (AD and PD) are neurodegenerative disorders leading to cognitive function decline and curative treatments are still missing. Olive oil and related phenolic compounds consumption could prevent or slow down cognitive decline through neuronal preservation. Indeed, they have direct antioxidant properties as electrons or H-atom donors, which are largely suspected of being responsible for their biological effects, but also of some indirect properties as modulators of endogenous antioxidant defenses. The secoiridoid oleuropein and the monophenols tyrosol and p-coumaric acid have shown abilities to counteract oxidative injuries and associated neuronal death in several cellular and in vivo models. However, the basic mechanisms of action of phenolic compounds remain to be elucidated. In fact, phenolic compounds are highly sensitive to oxidative modifications and could be transformed into new compounds in an oxidative context. Cellular impacts of these products are rarely considered, probably because their intracellular detection is a great challenge and remain an important field to explore. Moreover, oleuropein, tyrosol and p-coumaric were individually evaluated in order to characterize their own reactivity towards ROS and their biological properties. However, the concentration ranges used to observe neuroprotection in cellular models (5 – 100 µM) were far from the possibly recovered phenolic concentration in plasma (0.5 - 2,8 ng /ml of plasma). To observe an effect with concentration range closer to the physiological ones, several antioxidant combinations could be proposed. Nevertheless, despite the biological promises of phenolic compounds from olive oil, studies which combined some of the most abundant phenolic compounds in the neuroprotection field is still missing. We thus hypothesized that the combination of oleuropein, tyrosol and p-coumaric acid in equimolar proportion (Mix 1) could potentiated their ROS scavenging and neuroprotective properties to counteract oxidative stress-induced neuronal death. These effects could be in part due to their oxidized metabolites. First, we demonstrated that the association of these three phenolic compounds potentiated their neuroprotective effects with efficient concentrations at 0.1 and 1µM, contrary to concentration ranges when there are used individually (5 to 10 higher). The Mix1 increase the reactivity of phenolic compounds towards ROS and decreases their intracellular production. These neuroprotective properties seems, at least in part, lead by a regulation of the endogenous redox factors. Then, we compared the behavior of Oleuropein, tyrosol and p-coumaric acid individually and in the Mix1 under acellular oxidative conditions. The oxidized Mix1 LC-ESI-MS2 profiles showed a regeneration of oleuropein through a decrease of the phenolic compounds oxidation rate and highlight the presence of specific oxidized products in Mix 1. This study also showed a significant neuroprotection of oxidized Ole and oxidized Mix1 with very low concentrations (1 and 5 nM), suggesting the putative relevant role of oxidized Ole products to protect or delay neuronal death. Our third objective was to evaluate if these oxidized metabolites could be produced in a biological system. Even under oxidative conditions, we recovered these compounds in cellular extracts under their native forms after few hours of treatments, attesting their accumulation in neuronal cells. Taking together, our results pointed out the relevance to study the phenolic compounds from a chemical and a biological point of view, which should always be as cellular redox reactions are between biological and chemical fields. Lastly, we confirmed the significance to take into account the oxidized metabolites from phenolic compounds to deeper understand their biological properties.

Acidithiobacillus ferrooxidans (A. f.) est un modèle bactérien parfaitement adapté à l’étude de la survie en milieu acide. Si plusieurs métalloprotéines ont été identifiées et caractérisées d’un point de vue biochimique, le fonctionnement de la chaîne respiratoire couplant l’oxydation du Fe(II) à la réduction de l’oxygène dans cet organisme n’est pas élucidée. Au cours de ce travail de thèse, après avoir optimisé les conditions de croissance de la bactérie et de production des protéines redox impliquées, nous avons reconstitué sur interface électrochimique une partie de la chaîne respiratoire d’A. f. dans le but de déterminer étape par étape le chemin de transfert d’électrons (TE). Notre attention s’est portée sur trois protéines qui interagissent dans la chaîne respiratoire: la cytochrome c oxidase (CcO), la cuprédoxine AcoP, qui copurifie avec la CcO mais de fonction inconnue, et un cytochrome dihémique (Cyt c4) proposé comme interagissant avec la CcO. La mise en évidence, puis la quantification d’un TE intermoléculaire entre le Cyt c4 et AcoP, puis entre le Cyt c4 et la CcO nous a permis de proposer un rôle pour AcoP et un nouveau chemin de TE vers la CcO. Nous avons ensuite étudié les propriétés électrochimiques de la CcO vis à vis de la réduction catalytique de l’O2, en particulier avec une forte affinité. Nous avons ainsi pu montrer que la CcO de A. f. réduisait l’O2 à des potentiels 500 mV plus anodiques que les CcO neutrophiles par une connexion directe de l’enzyme sur nanomatériaux carbonés. Affinité pour O2 et haut potentiel redox font de cette CcO une enzyme de choix pour développer une nouvelle génération de piles à combustible enzymatique. / Acidithiobacillus ferrooxidans is one of the most studied bacterial models to understand how to survive in an acid environment. Although several metalloproteins have been identified and characterized from a biochemical point of view, the electron transfer pathway (ET) of the respiratory chain coupling the oxidation of ferrous iron with the reduction of oxygen in this organism has not been elucidated.During this thesis work, after having optimized the growth conditions of the bacterium and the production of the redox proteins involved, we reconstituted on the electrochemical interface part of the respiratory chain of A. ferrooxidans for the purpose of determining step by step the ET. Our attention focused on three proteins that interact in the respiratory chain: cytochrome c oxidase (CcO), the cupredoxin AcoP, which co-purifies with CcO but of unknown function, and a cytochrome dihemic (Cyt c4) proposed as interacting with the CcO. The demonstration, then the quantification of an intermolecular ET between the Cyt c4 and AcoP, then between the Cyt c4 and the CcO allowed us to propose a role for AcoP and a new pathway for the ET to the CcO. We then studied the electrochemical properties of CcO with respect to the catalytic reduction of O2. We have demonstrated the strong affinity of this oxidase for O2. We have established the chemical functions required to obtain a direct wiring of the enzyme on carbon nanomaterials. This showed that A. ferrooxidans CcO reduced O2 at potentials 500 mV more anodic than neutrophilic CcOs. Affinity for O2 and high redox potential make this CcO an enzyme of choice to develop a new generation of enzymatic fuel cells.

L’objectif de ce travail a été de mettre en place un système original capable de produire et stocker l’énergie à partir de la lumière dans un dispositif unique. Pour ce faire, nous avons choisi d’adapter l’électrode photo-sensible d’une DSSC sur un système d’accumulateur électrochimique. La première partie de ce travail a été de mettre en place la technique de spectroscopie EIS-λ, basée sur la spectroscopie d’impédance électrochimique couplée à un balayage en longueur d’onde de la lumière incidente. L’objectif de cette mesure est d’identifier et de quantifier les différents mécanismes de transfert électroniques, photo-dépendant ou non, ayant lieu à la surface de l’électrode photo-sensible, ainsi que les processus de désactivation des états excités des sensibilisateurs. Nous nous sommes ensuite penchés sur la recherche des conditions optimales d’utilisation de deux coadsorbants — l’acide bismethoxyphenyl phosphinique ou BMPP et l’acide chenodesoxycholique ou CDCA — avec le sensibilisateur de référence N719. Nous avons également quantifié leurs activités shield et anti-π-stacking grâce à la technique EIS-λ. Nous avons ainsi réalisé une DSSC présentant un rendement de photo-conversion de 8,3% en utilisant le co-adsorbant BMPP dans un ratio [co-ads]/[S] = 1, contre 7,2% dans les conditions de référence — avec le coadsorbant CDCA utilisé dans un ratio [co-ads]/[S] = 10. Par la suite, nous avons imaginé et synthétisé trois complexes de ruthénium hydrophiles originaux dont nous avons testé le pouvoir de photo-conversion dans des DSSC à électrolyte 100% aqueux, en présence des co-adsorbants sélectionnés. Ces systèmes ont permis de dépasser le pouvoir de photo-conversion du sensibilisateur N719, dans l’eau, avec un rendement maximal obtenu de 1,31%. Enfin, nous avons sélectionné la meilleure combinaison sensibilisateur / co-adsorbant afin de réaliser une électrode photo-sensible que nous avons implémentée dans un système original d’accumulateur électrochimique à base d’électrolytes aqueux. Le système ainsi mis en place constitue aujourd’hui le premier dispositif fonctionnel d’accumulateur 100% aqueux photo-rechargeable à partir d’une électrode mésoporeuse photo-sensibilisée / The aim of this work was to imagine and to develop a new system able to produce and store energy from sunlight in a single device. For this purpose, the photo-sensitive electrode of a DSSC has been adapted to an electrochemical accumulator. The first part of this work was to develop a new spectroscopic technique, called EIS-λ and based on electrochemical impedance spectroscopy combined to incident light wavelength sweep. This technique has proved its capacity to identify and quantify the different mechanisms of electron transfer over the surface of the semiconducting material and their dependency to incident wavelength, together with the various deactivation processes of the excited state of the sensitizer. Then, we investigated the best conditions to use two different co-adsorbents — namely bis-methoxyphenylphosphinic acid, or BMPP, and chenodesoxycholic acid, or CDCA — with the reference sensitizer N719. The shield and anti-π-stacking activities of the two coadsorbents has been characterized using EIS-λ technique. DSSC with a photo-conversion yield of 8,3% has been prepared in the lab using BMPP in a ratio [co-ads]/[S] = 1 while reference conditions – namely with CDCA in a ratio [co-ads]/[S] = 10 — only gave 7,2%. Besides, we have designed and synthesized three original hydrophilic ruthenium complexes, then tested their photo-conversion properties in DSSC with 100% aqueous electrolytes. Such systems, with the selected co-adsorbents, allowed 1,31% photo-conversion yield to be obtained, which is two times larger than the efficiency exhibited by N719 in the same electrolyte conditions. Finally the best combination sensitizer / co-adsorbent has been selected to achieve a photo-sensitive electrode which has been implemented in an original electrochemical accumulator with aqueous electrolytes. This system represents the first functional device of a 100% aqueous accumulator, which is photo-reloadable with a photosensitized mesoporous electrode