Contrairement à leurs homologues animales, les cellules végétales sont entourées d’une fine enveloppe de polysaccharides appelée paroi primaire, dont la principale structure portante est un réseau de microfibrilles de cellulose reliées entre elles par des hémicelluloses. L’objectif de ce travail est de mettre au point des capsules biomimétiques de la paroi végétale qui puissent servir de système modèle dans l’étude des propriétés mécaniques de ce matériau naturel. Pour ce faire, des vésicules géantes unilamellaires d’un diamètre moyen de 20 µm ont été utilisées comme support de dépôts couche-par-couche de nanocristaux de cellulose (les sous-éléments des microfibrilles) et de xyloglucane (l’hémicellulose la plus répandue) jusqu’à une dizaine de bicouches, les capsules ainsi obtenues ayant été caractérisées par microscopie confocale. Leur comportement en déformation en réponse à une pression osmotique a pu être observé : leur dégonflement a donné lieu à l’apparition de diverses morphologies dont certaines sont similaires aux formes de coques minces de matériau isotrope dégonflées, tandis que leur comportement en gonflement est comparable à la réponse d’un matériau viscoélastique. Enfin, des expériences de nano-indentation par microscopie à force atomique ont été effectuées pour mesurer la rigidité de la paroi des capsules. Leur module d’Young a pu être déduit des courbes de force-déformation et s’avère être compris entre 6 et 18 MPa, ce qui est du même ordre de grandeur que les valeurs obtenues par des mesures similaires effectuées sur des parois végétales naturelles. / Unlike their animal counterparts, plant cells are surrounded by a thin polysaccharide-rich envelop called the primary wall, in which the main load-bearing structure is a network of cellulose microfibrils tethered by hemicellulose. This work aims at designing plant cell wall mimicking capsules that could be used as a model system in the mechanical characterization of this natural material. To do so, we used giant unilamellar vesicles with an average diameter of 20 µm as a template for the layer-by-layer deposition of cellulose nanocrystals (the microfibrils sub-elements) and xyloglucan (the most common hemicellulose) up to ten bilayers, the resulting capsules being characterized by confocal microscopy. Their deformation behaviour under osmotic stress could be observed : deflation of the capsules led to various morphologies, some of them similar to what is observed for thin deflated shells of isotropic material, while their response to swelling resembled that of a viscoelastic material. Nano-indentation experiments were eventually performed using an atomic force microscope to probe the stiffness of the capsules wall. Their Young’s modulus could be deduced from the force-depth curves and found to be in the 6-18 MPa range, which is in the same order of magnitude of values obtained with similar measurements done on natural plant cell walls.

Ce travail de thèse s’intéresse à l’introduction de méthodologies électrochimiques dans la problématique de la caractérisation du transport de peptides pénétrants (CPPs) à travers des membranes phospholipidiques. Malgré leur charge électrique globalement positive, ces peptides sont en effet capables de traverser les bicouches lipidiques de cellules réelles ou artificielles (liposomes) et il n’existe pas à ce jour de mécanisme d’internalisation universellement admis. Dans ce contexte, nous avons dans un premier temps développé des méthodologies visant à détecter des peptides pénétrants marqués par des sondes rédox en optimisant les conditions de volume et de confinement à l’électrode. Parallèlement, nous avons tenté d’observer le passage transmembranaire de ces peptides en utilisant un dispositif dérivé du patch-clamp, dans lequel un morceau (patch)de membrane lipidique est excisé d’une vésicule géante et le suivi du passage assuré par une détection ampérométrique sur ultramicro-électrode à proximité de la membrane. La sensibilité de la technique ampérométrique et le flux de CPP s’avérant faibles, nous nous sommes tournés vers une stratégie associant fluorescence (pour la sensibilité) et commande électrochimique (pour l’extinction de la fluorescence). Dans la mesure où les phospholipides constituent la barrière dynamique à travers laquelle doivent passer les CPPs, nous avons d’abord étudié l’extinction électrochimique de phospholipides marqués par une sonde à la fois rédox et fluorescente, le NBD. Observée sur des vésicules géantes au microscope confocale, la réduction électrochimique a permis l’extinction sélective des phospholipides situés sur le feuillet externe de la vésicule, un résultat que ne permettent ni la réduction par des agents chimiques (dithionite), ni les techniques de « photobleaching ». Cette propriété a été confirmée cette fois-ci pour des CPPs marqués par le NBD qui ont été mis à incuber en présence de vésicules géantes et pour lesquels un essai préliminaire semble confirmer une extinction de fluorescence essentiellement pour les peptides associés au feuillet externe de la vésicule. / This PhD work was aimed at introducing electrochemical strategies in the general topic devoted to the characterization of the passage of cell penetrating peptides (CPPs) across phospholipidic membranes. Although positively charged, CPPs are prone to cross lipidic bilayers of real and artificial cells (liposomes) and there is no commonly admitted internalization mechanism so far. Therefore, we first developed electrochemical setups aimed at improving the amperometric detection of redox-taggedCPPs, through optimization of volume and confinement. Additionally, we have made attempts to use patch-clamp inspired setups to monitor the passage of CPPs across a membrane patched from a giant vesicle using ultramicro-electrodes in the close vicinity of the patched membrane. Since the amperometric technique displayed poor sensibility and the flux of CPP was too narrow, we changed our strategy for a methodology coupling fluorescence (for the sensitivity) and an electrochemical command (to achieve fluorescence extinction). Considering that phospholipids are forefront actors of CPP internalization, we first focused on the electrochemical quenching of phospholipids tagged with a probe displaying both redox and fluorescent properties (NBD). Observed on giant unilamellar vesicles (GUVs) with confocal microscopy, the electrochemical reduction of the NBD probe led to the selective extinction of the phospholipids located on the outer leaflet of the vesicle, a selectivity which is not observed using chemical quenchers such as dithionite or photobleaching methods. That property was extended to NBD-tagged CPPs, previously incubated with unlabeled Guvs and that preliminary experiment confirmed that the electrochemical extinction mostly concerned peptides associated to the outer leaflet of the liposome.

Les vésicules sont des bicouches lipidiques refermées sur elles même, séparant ainsi un volume intérieur du milieu extérieur. Elles sont donc utilisées dans de nombreuses applications nécessitant l'encapsulation d'une substance mais également pour la construction d'objets biomimétiques. Une nouvelle méthode simple, appelée continuous Droplet Interface Crossing Encapsulation (cDICE), a été développée pour la fabrication de vésicules de taille et de contenu finement contrôlés. Ainsi, des vésicules dans la gamme de taille 5-70 μm de diamètre et encapsulant des solutions aussi variées que des colloïdes micrométriques, protéines, cellules, solutions visqueuses (40 mPas) ou solutions salines (>300 mosm), sont produites de façon continue et à fréquence élevée (∼ 150 Hz). Des vésicules " drépanocytaires " ont également pu être produites grace à cette méthode. La drépanocytose ou anémie falciforme est une maladie génétique dont la principale conséquence est la vaso-occlusion de la circulation sanguine. La conception de canaux microfluidiques se rapprochant au mieux des conditions physiologiques (vitesse d'écoulement, concentration d'oxygène, hématocrite...) de la microcirculation a permis une approche biomimétique de la vaso-occlusion, mettant en évidence l'importance de paramètres physiques tels que la géométrie de l'écoulement, le taux d'oxygène, la présence de globules blancs et l'hémoglobine libre en solution sur la formation d'agrégats cellulaires qui pourraient jouer un rôle dans la vaso-occlusion.

Le but de ce travail était de développer des modèles mécaniques de cellules basés sur les vésicules lipidiques géantes unilamellaires (GUVs) et d'étudier les relations entre paramètres mécaniques et comportements sous contraintes. Nous avons tout d'abord réussi à modifier les propriétés structurelles des membranes soit en les décorant de polyélectrolytes (chitosane ou acide hyaluronique), soit en utilisant la transition de phase des lipides pour obtenir des membranes en phase gel. La caractérisation des membranes décorées a montré l'origine électrostatique de l'interaction polyélectrolyte/membrane, et a mis en évidence le rôle de la structure chimique des polymères sur leur conformation à la surface des vésicules. Concernant les membranes en phase gel, nous proposons un protocole astucieux permettant de préserver la forme sphérique de GUVs lors de la diminution de température. Nous avons ensuite montré que la structure de la membrane influence fortement la valeur des paramètres mécaniques et le comportement des GUVs complexes soumises à différentes contraintes (pression osmotique, chocs de pH et de sel, compression entre deux plans (microscopie à force atomique) ou force ponctuelle (extrusion de nanotubes de membrane)). Les expériences d'AFM ont révélées que la décoration rigidifie les membranes, augmentant notamment leur module de compressibilité. Le dégonflement osmotique de GUVs en phase gel a mis en évidence une grande variété de formes polyédriques, que nous avons pu retrouver numériquement en utilisant un modèle 2D élastique adapté. Nous avons enfin proposé une technique originale pour caractériser les vésicules en étudiant leur écoulement dans des géométries confinées.

Nous avons développé une nouvelle technique de reconnaissance de contours de vésicules lipidiques géantes en microscopie à contraste de phase permettant une analyse en temps réel avec une très bonne précision. Nous obtenons ainsi le spectre de fluctuation d'une vésicule et nous avons développé le formalisme nécessaire à une comparaison avec les théories développées sur des membranes planes. Nous avons appliqué notre technique à l'analyse de vésicules purement lipidiques et nous mesuré le spectre de fluctuations. Les modules de courbure déduits correspondent aux valeurs de la littérature. Cette technique nous a aussi permis d'étudier deux types de membranes hors équilibre : d'une part des liposomes contenant de la bactériorhodopsine où nos résultats ne s'interprètent pas avec la théorie actuelle des membranes actives ; notre technique a été aussi appliquée à des membranes en présence d'apport de lipides, et nous avons pu mettre en évidence l'apparition d'une tension négative.

Ce travail de thèse a porté sur l'incorporation de nanoparticules inorganiques au sein de vésicules multilamellaires lipidiques de type " oignon ". La synthèse intravésiculaire de nanoparticules d'or a été réalisée par voie chimique, photoréduction UV et radiolyse gamma. Nous avons montré qu'il est possible de contrôler la morphologie des particules par la composition vésiculaire dans le cas d'une réduction chimique. Quelle que soit la voie de synthèse, nous avons établi que la stabilité de l'oignon dépend de la taille des nanoparticules qu'il contient et de leur nombre. L'utilisation de ces structures hybrides,oignons/nanoparticules (or et argent), pour la catalyse supportée a été abordée. Nous avons également élaboré des oignons magnétiques selon deux voies: par synthèse intravésiculaire de nanoparticules magnétiques et par encapsulation d'un ferrofluide. Les propriétés des oignons en terme de magnétisme, d'hyperthermie magnétique et d'agents de contraste pour IRM ont été étudiées.