La thérapie photo-dynamique (PDT) est une thérapeutique applicable à de nombreuses spécialités. Elle consiste en l'administration d'un photosensibilisateur qui se concentre dans un délai variable dans la lésion à traiter puis l'éclairage de la lésion (par une lumière de longueur d'onde déterminée par le spectre d'absorption du photosensibilisateur) qui conduit finalement à la destruction de la lésion [1]. Le but de mon projet d'étude est de faire l'étude et control des propriétés des membranes. nous allons utiliser des bactéries comme des membranes artificielles. Nous allons utiliser les molécules azobenzenique dans des milieux réels où il y'a des bactéries ou d'autres cellules vivantes. Des bactéries ont des impacts sur la santé humaine. plusieurs bactéries ont besoin de se déplacer vers des sites spécifiques. Le moyen de locomotion le plus commun est le moteur flagellaire. Les bactéries flagellaires ont un moteur rotatif ancré dans leur membrane qui transmet sa rotation à un long filament en forme d'hélice se trouvant à l'extérieur de la bactérie via un joint universel se nommant le crochet. De plus, les moteurs flagellaires jouent un rôle très important durant les infections bactériennes. En effet, les bactéries se déplacent souvent dans des milieux anisotropes, où les propriétés physiques dépendent de la direction. La motilité des bactéries (vitesse de nage) est définie par l'électro-conductivité de sa membrane. Si nous ajoutons des azobenzènes et si les azobenzène s'incorpore à la membrane (attachement à la surface ou pénétration dans la membrane) alors nous pouvons essayer de perturber les membranes avec la lumière en excitant les azobenzènes. Cela devrait nous permettre de de développer des nouvelles techniques de la photo-thérapie pour contrôler la motilité des bactéries ou d'autres cellules vivantes / Photodynamic therapy (PDT) is a therapy applicable to many medico-surgical specialties. It consists of the administration of a photosensitizer which concentrates with in a variable time in the lesion to be treated then the illumination of the lesion (by a light of wavelength determined by the absorption spectrum of the photosensitizer) which leads finally to thedestruction of the lesion [1]. The goal of my study project is to study and control the properties of membranes. we are going to use bacteria as artificial membranes. We will use azobenzene molecules in real environments where there are bacteria or otherliving cells. Bacteria have impacts on human health. several bacteria need to move tospecific sites. The most common means of locomotion is the flagellar motor. flagellar bacteria have a rotary motor anchored in their membrane which transmits its rotation to a long filament in the form of a helix lying outside the bacterium via a universal joint called the hook. In addition, flagellar motors play a very important role during bacterial infections. Indeed, bacteria often move in an isotropic media, where the physical properties depend on the direction. the motility of bacteria (swimming speed) is defined by the electro-conductivity of its membrane. If we add azobenzenes and if the azobenzenes become incorporated into the membrane (attachment to the surface or penetration into the membrane) then we can try to perturb the membranes with light by exciting the azobenzenes. This should allow us to develop new phototherapy techniques to control the motility of bacteria or other living cells

Les récepteurs canaux P2X, sélectifs des cations, sont activés par l'ATP extracellulaire. Les récepteurs P2X remplissent de nombreux rôles physiologiques allant de la nociception à la neuromodulation. L'étude du rôle physiopathologique de ces récepteurs souffre d'un manque d'outils pharmacologiques sélectifs. L'optogénétique pharmacologique serait une méthode pour palier ce manque. Mes travaux se divisent en deux parties, l'une concernant l'étude structurale des récepteurs P2X et l'autre présentant le développement d'outils optogénétiques chimiques pour contrôler l'activité des récepteurs P2X. Dans une première série d'expériences nous avons identifié le site de liaison de l'ATP par marquage d'affinité dirigé à l'aide d'un analogue de l'ATP thiol réactif. Ensuite,nous avons démontré le mécanisme d'activation des récepteurs P2X dans une étude utilisant la bioinformatique et l'ingénierie de site zinc. Ainsi nous avons établi une corrélation entre l'ouverture du canal et le rétrécissement du site de liaison suite à la fixation de l'ATP. Enfin nous avons mis au point une nouvelle stratégie optogénétique chimique appelée « optogating » permettant de reprogrammer un canal ionique afin de le contrôler par la lumière. Nous avons montré qu'un récepteur canal modifié au niveau transmembranaire, par un réactif contenant un azobenzène, peut être activé réversiblement par la lumière sans recourir au ligand endogène. Nous avons réussi à photocontrôler l'activité neuronale à l'aide d'un récepteur P2X activé par la lumière,dans lequel, la sensibilité à l'ATP a été génétiquement supprimée. Cet outil est prometteur pour l'étude du rôle physiologique des récepteurs P2X in vivo. / The ATP-gated P2X receptors are trimeric ion channels that are selective to cations.These ion channels are involved in various physiological processes such as nociception and neuromodulation. The study of P2XR physiology suffers from a lack of selective pharmacological molecules. Optogenetic pharmacology could solve this problem. ln thiswork, 1 performed structural studies of P2X receptors and developed an original optochemical tool in order to contrai P2X activity. First, we localized the ATP-binding sites by creating, through a proximity-dependent"tethering" reaction, covalent bonds between a synthesized ATP-derived thiol-reactiveP2X2 agonist (NCS-ATP) and single cysteine mutants engineered in the putativebinding cavities of the P2X2 receptor. Next, we demonstrated that tightening of the ATP-binding sites correlates precisely with channel opening in the P2X2 receptor. Finally, we developed a unique and versatile method, in which the gating machinery of the P2X2 receptor was reprogrammed to respond to light. We found that channels covalently modified by azobenzene-containing reagents at the transmembrane segments could be reversibly turned on and off by light, without the need of the natural ligand (here ATP). We demonstrated photocontrol of neuronal activity by a light-gatedP2X receptor, in which the natural sensitivity to ATP was genetically removed. These light-gated P2X receptors represent valuable tools for investigating the physiological functions of P2X receptors.

Grace à leur excellente propriété photochromique, les dérivés d’azobenzène trouvent de plus en plus d’applications pour le photocontrôle spatio-temporel de conformations moléculaires, de réactivités chimiques, des activités biologiques et pharmaceutiques. Dans ce contexte, introduire un motif photochromique dans les macrocycles contenant de glucides représente une approche excitante afin de moduler par la lumière les propriétés physicochimiques, chimiques et biologiques de cette unique classe de molécules qui attirent d’attention croissante en chimie médicinale et en science des matériaux.Deux séries de glycomacrocycles photocommutables ont été synthétisés dans cette thèse. La première est obtenue via une approche d’O-alkylation en one-pot, à partir 2,2’-dihydroxyazobenzène et di-O-bromoacétyl glycosides. Ces glycomacrocycles possèdent d’excellentes propriétés photochromiques, avec une haute résistance à la fatigue. Le transfert de chiralité de glucide à l’azobenzène a été observé. L’un des glycomacrocycles est capable de former d’organogels qui répond aux stimuli photo, thermique et mécanique. La seconde série de macrocycles est synthétisée via une glycosylation intramoléculaire, en utilisant dihydroxyazobenzène comme attache. Dans cette approche, l’efficacité et la stéréoselectivité de glycosylation sont étudiées en modulant la nature de liens et la configuration d’azobenzène. / As excellent photochromic molecules, azobenzene derivatives have increasing applications in the spatial and temporal photocontrol of molecular conformation, chemical reactivity, biological and pharmacological activities. In this context, an exciting attempt is introducing a photochromic motif into carbohydrate-containing macrocycles, a unique class of products with growing attention in medicinal and material science, so as to modulate their physicochemical, chemical and biologic properties by light.Two series of photoswitchable glycomacrocycles have been prepared in this thesis. The first one is obtained from 2,2’-dihydroxyazobenzene and di-O-bromoacetyl glycosides via one-pot O-alkylation approach. These macrocycles show excellent photophromic properties with high fatigue resistance. Chirality transfer from sugar to azobenzene moiety has been observed. One of the macrocycles can form organogel that responses to photo-, thermal- and mechanical stimulus. The second series of glycomacrocycles were prepared through intramolecular glycosylation by using dihydroxyazobenzene as tether. The efficiency and the stereoselective outcome of glycosylation have been investigated by modulating the nature of the linkers and the configuration of the azobenzene tether.

La cristallinité d’un matériau peut largement influencer les propriétés de ce dernier, notamment la résistance mécanique, chimique et thermique. Au cours des dernières années, le groupe de recherche de Josée Brisson a étudié les processus de cristallisation avec un système de copolymères rigides-flexibles. Cette approche a pour but d’induire à la fois une flexibilité dans la chaîne pour faciliter le repliement à des endroits précis et une rigidité pour favoriser les interactions favorables à la cristallisation. Cette approche a permis notamment d’étudier les processus de cristallisation et de faire cristalliser un dérivé du poly(éthersulfone) (PES) qui nécessite généralement des conditions rigoureuses. Le présent projet portera sur l’utilisation d’un comonomère azobenzène pouvant se photo-isomériser sous irradiation lumineuse pour induire une flexion dans la chaîne et étudier si le changement de conformation peut influencer la cristallisation du polymère.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les récepteurs P2X, activés par l’ATP extracellulaire et cations non-sélectifs, sont impliqués dans de nombreux rôles physiopathologiques. Le manque de sélectivité de molécules pharmacologiques est un inconvénient majeur pour leur étude. La résolution de leurs structures cristallographiques a permis de les comprendre à l’échelle moléculaire, cependant les mécanismes impliqués dans les transitions allostériques restent mal compris. Au laboratoire, deux outils, dérivés d’azobenzène, permettant l’activation des récepteurs P2X en absence d’ATP et par la lumière ont été développés. L’utilisation de ces outils ont permis l’étude de la transition allostérique de l’état ouvert à l’état désensibilisé, mettant en avant une zone de régulation efficace dans les espaces transmembranaires. De plus, leur utilisation a permis l’investigation biophysique d’une mutation présente sur P2X2 humain, responsable d’une surdité non-syndromatique. Cette mutation entraine un rétrécissement du pore, impactant le passage de gros cations impliqués dans le processus d’audition. Enfin, la relation entre le diamètre du pore ionique et le passage de gros cations a été établi. / P2X receptors, activated by extracellular ATP and non-selective cations, are involved in many physiopathological roles. The lack of selectivity of pharmacological molecules is a major drawback for their study. The resolution of their crystallographic structures provided a molecular framework, but the mechanisms involved in allosteric transitions remain misunderstood. In the laboratory, two tools have been developed, derived from azobenzene, allowing the activation of P2X receptors in the absence of ATP and by light. The use of these tools allowed the study of the allosteric transition from the open to the desensitized state, highlighting an effective regulatory zone in transmembrane spaces. In addition, their use provided the biophysical investigation of a mutation present on hP2X2, responsible for non-syndromatic hearing loss. This mutation leads to a narrowing of the pore, affecting the large cations flow involved in hearing process. Finally, the relationship between the diameter of the ionic pore and the passage of large cations has been established.

Nous proposons ici un nouveau système, une mousse stimulable par la lumière : un stimulus UV permet de déclencher une déstabilisation rapide et locale d'une mousse pourtant stable à la lumière ambiante. Cette mousse est constituée d'un tensio-actif photo-stimulable synthétisé au laboratoire. Sa queue hydrophobe, contenant un groupe azobenzène, change de conformation de façon réversible par application de stimulus UV et bleu. Tout d'abord, cette étude prouve que les deux formes isomères du tensio-actif (cis et trans) ont une affinité très différente pour l'interface eau-air. On démontre qu'alors le stimulus lumineux génère un flux de désorption de tensio-actifs à l'interface. Ce flux à l'échelle moléculaire se répercute ensuite à toutes les échelles de la mousse photo-stimulée : 1. Sur une interface eau-air, le stimulus modifie fortement l'adsorption du tensioactif. Ainsi la tension de surface peut être finement contrôlée par l'intensité lumineuse. 2. Sur un film de savon mince (épaisseur h<100nm), les interactions électrostatiques sont modifiées par le stimulus en quelques secondes. Ainsi l'épaisseur du film devient instable et apparaissent des objets que l'on caractérise. 3. Enfin, dans un réseau de quelques films de savon, des écoulements de Marangoni s'avèrent assez importants pour s'opposer au drainage des films. Leur dynamique est déterminée par les flux de désorption des tensio-actifs et contrôlée par l'intensité. 4. Finalement, la description des flux à ces différentes échelles permet de discuter de la déstabilisation rapide à l'échelle de la mousse, mais également de mieux comprendre le ralentissement local du drainage observé sous UV.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Nous avons cherché dans cette thèse à caractériser la phase vitreuse formée par des molécules organiques. Pour cela, nous y avons dilué des molécules sur lesquelles on a greffé un fragment d’azobenzène, de façon à pouvoir les orienter sélectivement en les illuminant. On souhaite ainsi s’approcher de la procédure de clouage aléatoire, qui permet en théorie et par simulations de caractériser d’une manière nouvelle la phase vitreuse "idéale", stable thermodynamiquement, qui se formerait pendant la transition vitreuse. On caractérise en temps réel les effets de l’illumination sur ces molécules modifiées (isomérisations cis-trans, orientation) par spectroscopie d’absorption UV polarisée. On mesure l’impact de l’illumination sur la transition vitreuse de leur matrice par spectroscopie diélectrique. Nous avons observé une accélération de la dynamique pendant illumination (diminution du temps de relaxation alpha). Celle-ci n’est pas due à l’orientation de l’azobenzène mais aux autres effets de l’illumination : les isomérisations cycliques cis-trans, et la présence d’isomères cis. Au total, la viscosité du verre est divisée par presque 50 en dessous de Tg, ce qui représente une augmentation de la température effective de l’échantillon de plus de 6K, alors que le chauffage réel dû à l’illumination est inférieur à 100mK. Derrière ces deux effets majoritaires, nous avons repéré que plus l’orientation est grande, plus le temps de relaxation alpha est grand, toute chose égale par ailleurs. Cette influence de l’orientation semble être très forte car nos fractions orientées sont faibles. En suivant les prédictions de la théorie RFOT, on trouve que la transition vitreuse idéale aurait lieu pour une concentration en molécules orientées entre 0,5 et 2% à Tg. Les expériences de random pinning sur des verres moléculaires semblent donc bien réalisables avec l’azobenzène. On jette dans cette thèse les bases d’une nouvelle voie expérimentale qui nous semble prometteuse pour l’étude de la transition vitreuse. / In this thesis we have sought to characterize the glassy phase formed by organic molecules. To do this, we diluted molecules on which we grafted an azobenzene fragment, so that we could selectively orient them by illuminating them. In this way, we wish to approach the random pinning procedure, which makes it possible in theory and by simulations to characterize in a new way the "ideal" thermodynamically stable glass phase that would be formed during the glass transition. The effects of illumination on these modified molecules (cis-trans isomerizations,orientation) are characterized in real time by polarized UV absorption spectroscopy. The impact of illumination on the glass transition of the matrix is measured by dielectric spectroscopy. We observed an acceleration of the dynamics during illumination (decrease of the alpha relaxation time). This is not due to the orientation of azobenzene but to other effects of illumination : cyclic cis-trans isomerizations, and the presence of cis isomers. In total, the viscosity of the glass is divided by almost 50 below Tg, which represents an increase in the effective temperature of the sample of more than 6K, while the actual heating due to illumination is less than 100 mK. Behind these two majority effects, we have identified that the greater the orientation, the greater the alpha relaxation time, all other things being equal. This influence of orientation seems to be very strong because our oriented fractions are small. Following the predictions of the RFOT theory, we find that the ideal glass transition would occur for a concentration of oriented molecules between 0.5 and 2% at Tg. Therefore random pinning experiments on molecular glasses seem to be feasible using azobenzene. In this thesis, we are laying the foundations for a new experimental approach that seems promising to us for the study of glass transition.

Deux copolymères blocs contenant un bloc azobenzène et un bloc polystyrène, ainsi qu'un polymère d' azobenzène de référence, ont été étudiés. À l'aide de la technique du dichroïsme linéaire infrarouge avec modulation de polarisation, il a été possible d' étudier l'effet de confinement qu'a le polystyrène sur le bloc azobenzène des deux copolymères, comparativement au comportement du polymère de référence. Nous avons aussi étudié la présence de l'isomère cis à en irradiation l' échantillon à l'aide de radiation ultraviolette. Ces travaux nous ont permis de déterminer que les deux copolymères possèdent des niveaux d'orientation supérieurs à celui du polymère de référence, montrant que le confinement des blocs azobenzène des deux copolymères respectifs par les matrices de polystyrène nuit à l'orientation de ces blocs. Grâce aux résultats obtenus à l'aide des expériences réalisées à l'aide d'irradiation ultraviolette, nous avons aussi pu déterminer que certaines composantes spectrales en infrarouge des polymères étudiés pourraient être associées à l'isomère cis-azobenzène.