Cette thèse a porté sur le développement pour la biologie de la microscopie par génération de troisième harmonique (THG), qui permet la visualisation sans marquage de cellules et de tissus avec une résolution sub-micrométrique. Son application en biologie était jusqu'à présent limitée par le manque d'études du mode de création du signal dans l'échantillon, des sources de contrastes biologiques endogènes ainsi que de la phototoxicité induite. Le travail présenté ici a essentiellement porté sur ces trois questions. Nous avons d'abord étudié théoriquement et expérimentalement l'influence de la structure de l'échantillon et de la focalisation du faisceau excitateur sur le signal THG. Nous avons montré que l'imagerie THG agit sur l'échantillon comme un filtre passe! -bande pour les fréquences spatiales et qu'ajuster la focalisation de l'excitation permet de moduler la visibilité de structures au sein d'un système complexe selon leur forme. Par ailleurs, nous avons caractérisé les propriétés optiques de différents liquides biologiques, qui prédisent qu'un corps lipidique dans un environnement aqueux doit constituer une source efficace de signal intracellulaire. Nous avons démontré que de telles structures peuvent effectivement être suivies et quantifiées par microscopie THG dans de nombreux types de tissus biologiques non marqués, ouvrant la voie à des applications en physiopathologie. Finalement, nous avons appliqué la microscopie THG à la visualisation in vivo et sans marquage du développement embryonnaire précoce chez la drosophile. Sur ce modèle, nous avons étudié les mécanismes de phototoxicité liés à l'imagerie THG et démontré la possibilité de visualiser les embryons en 3D sans perturbation du développement et de quantifier les mouvements morphogénétiques à partir des séquences obtenues.

Ce document résume mes activités entre 1995 et 2010. Dans un premier temps, le développement d'un détecteur à pixels de silicium pour l'amélioration du Forward Proton Spectrometer de l'expérience H1 à DESY est présenté. Ensuite, les développements des circuits de lecture du détecteur à pixels de l'expérience ATLAS au CERN sont détaillés, en particulier le développement de bancs de test de ces circuits ainsi que la simulaton de leur comportement dans un environnement réaliste. Puis, l'infrastructure de la digitization des détecteurs à silicium (Pixels et SCT) est présentée. Une deuxième partie décrit la production de l'électronique frontale de lecture du calorimètre hadronique à tuiles scintillantes d'ATLAS (TileCal), en particulier le développement du système de test MobiDICK. Les logiciels de contrôle du système de calibration du TileCal par laser sont aussi détaillés. Pour finir, mes activités d'enseignement, d'encadrement et de diffusion des connaissances (en particulier le Cosmophone) sont mentionnées.

Les macromolécules biologiques sont, par essence, des systèmes dynamiques. Si l'importance de cette flexibilité est maintenant clairement établie, la caractérisation précise du désordre conformationnel de ces systèmes reste encore une question ouverte. La résonance magnétique nucléaire constitue un outil unique pour sonder ces mouvements au niveau atomique que ce soit par les études de relaxation de spin ou par l'analyse des couplages dipolaires résiduels. Ces derniers permettent d'étudier l'ensemble des mouvements ayant lieu à des échelles de temps plus rapide que la milliseconde, englobant ainsi les temps caractéristiques de nombreux mouvements physiologiquement importants. L'information contenue dans ces couplages résiduels est ici interprétée principalement grâce à des approches analytiques pour quantifier la dynamique présente dans des protéines repliées, déterminer l'orientation de ces mouvements et obtenir de l'information structurale au sein de ce désordre conformationnel. Ces approches analytiques sont complémentées par des méthodes numériques, permettant ainsi soit d'observer les phénomènes sous un autre angle, soit d'examiner d'autres systèmes tels que les protéines intrinsèquement désordonnées. L'ensemble de ces études laisse transparaître une importante complémentarité entre ordre structural et désordre conformationnel.

Le développement de biomatériaux utilisant les propriétés d'auto-assemblage des protéines est au cœur de nombreuses recherches car les objets supramoléculaires résultants présentent un large potentiel applicatif pour les industries agroalimentaire, pharmaceutique et biotechnologique. La compréhension des forces gouvernant l'assemblage des protéines est essentielle pour contrôler la stabilité, la morphologie et les fonctionnalités des objets formés. Cette étude s'intéresse au système binaire composé de protéines de charges opposées : le lysozyme (LYS) et l'α-lactalbumine (LAC). Le lysozyme interagit avec les formes calcifiée (holo) et décalcifiée (apo) de l'α-lactalbumine pour former des hétérodimères. Seuls les hétérodimères apoLAC-LYS s'assemblent en objets supramoléculaires dont la morphologie dépend de la température. Lorsque l'apoLAC est dans sa conformation native (T< 26°C), des agrégats amorphes sont obtenus, alors que des objets sphériques ordonnés, appelés microsphères, sont obtenus lorsqu'elle adopte un état conformationnel particulièrement flexible, appelé " molten globule " (45°C). Pour comprendre comment l'information contenue à l'échelle moléculaire se propage à l'échelle microscopique, les objectifs de ma thèse étaient de caractériser les interactions impliquées à l'échelle moléculaire et d'établir le mécanisme d'assemblage. L'identification des acides aminés impliqués dans l'interface des hétérodimères a mis en évidence une orientation particulière des protéines gouvernée par des attractions électrostatiques et la formation de tétramères par associations des dimères apoLAC-LYS. La croissance de particules sub-micrométriques, à partir des nucléi formés par agrégation des tétramères, est indépendante de la température et est gouvernée par collision et fusion de particules plus petites. C'est au stade final du mécanisme, que l'état conformationnel de l'apoLAC joue un rôle important. En effet, la coalescence des particules et la réorganisation des protéines en microsphères sont favorisées par la flexibilité du " molten globule " et impliquent probablement des associations hydrophobes. Enfin, la formation de microsphères n'implique pas de changements importants de structure secondaire des protéines assemblées, ce qui explique la réversibilité des objets formés et le dynamisme des protéines assemblées. L'approche mise en œuvre pour réaliser ce travail peut être utilisée pour étudier l'assemblage d'autres systèmes protéiques binaires et les éléments fondamentaux apportés permettent d'envisager des applications potentielles des microsphères.

Mes actions de recherche portent sur l'étude des microcapteurs à ondes acoustiques et des systèmes les mettant en oeuvre. Ce mémoire décrit plus spécifiquement les actions que j'ai entreprises au laboratoire IMS en vue de l'application de cette technologie à la détection en milieu liquide, et plus précisément à la biodétection rapide sur site, nouveau volet de recherche dont j'assure l'animation scientifique depuis 2000.<br />Les dispositifs à ondes acoustiques pourraient être dans certains cas à la base d'un système efficace de détection précoce, avec des avantages notamment en termes de sensibilité, de rapidité, de possibilité d'intégration (du capteur mais également de l'ensemble de la chaîne de détection, de l'échantillonnage à la délivrance d'une information explicite sous forme électronique) et d'adaptabilité à un grand nombre d'applications, liée au caractère générique d'une transduction fondée notamment sur un effet de masse. Un système multicapteur associant des détecteurs sensibles et présentant une bonne sélectivité permettrait de réaliser des dosages en présence d'une matrice complexe, donc d'un échantillon ayant subi une préparation moins longue. <br />Le chapitre 1 présente une problématique du biocapteur, couvrant les principaux choix technologiques proposés commercialement ou dans la littérature pour la réalisation d'un tel élément : le biorécepteur, son immobilisation, et la technique de transduction. Il se terminera par un bilan et une présentation de l'orientation de nos travaux par rapport à ces différents éléments.<br />Dans les chapitres 2 à 4 sont synthétisés nos travaux théoriques et expérimentaux contribuant à l'étude de microcapteurs à ondes acoustiques visant la biodétection rapide sur site. Le chapitre 2 expose notre cheminement sur l'étude des transducteurs, d'un dispositif classique à ondes de Rayleigh aux dispositifs à ondes de Love. Le chapitre 3 concerne la plate-forme de test et l'application en milieu liquide. Enfin le chapitre 4 décrit nos travaux relatifs à l'application de ces dispositifs pour réaliser un biodétecteur, à partir d'une réaction immunologique de type antigène-anticorps.<br />Une dernière partie nous permet de conclure et de présenter notre programme de recherche dans ce domaine, programme intimement lié aux autres travaux de recherche sur les microcapteurs à ondes élastiques, mais aussi à microstructures mobiles, menés au sein de l'équipe et visant d'autres applications, comme la détection en milieu gazeux, ou la caractérisation de matériaux.

L'étude de nombreux processus biologiques et nanotechnologiques requièrent une bonne compréhension du repliement et de la dénaturation des acides nucléiques. Les travaux décrits dans cette thèse portent principalement sur le développement et l'utilisation de modèles thermodynamiques de ces mécanismes. Nous avons tout d'abord mis en place un formalisme unifié du modèle de Poland-Scheraga qui permet de décrire la dénaturation thermique de l'ADN quelque soit la taille des molécules considérées, leur concentration et leur environnement ionique. Nous utilisons ce modèle pour décrire quelques aspects génériques de la dénaturation. En particulier, nous montrons que le comportement des observables est particulièrement sensible à l'incertitude sur les paramètres du modèle pour les longs oligomères. Nous considérons ensuite le modèle de Zimm-Bragg qui est une approximation du modèle précédent. Cela nous permet de procéder à une analyse statistique systématique des corrélations entre domaines thermodynamiquement stables et gènes dans les génomes. Nous avons ensuite développé un modèle sur réseau du repliement de l'ARN paramétré à l'aide d'une version réduite et unifiée du modèle de Turner. L'étude du modèle sur réseau, grâce à la mise en place de plusieurs techniques avancées de Monte-Carlo, montre qu'il décrit quantitativement le repliement de structures complexes. Nous évaluons aussi l'importance des interactions stériques. En particulier, nous estimons des corrections de champ moyen utilisables dans les programmes standard traitant la structure secondaire. Enfin, nous exploitons l'aspect tridimensionnelle du modèle, pour étudier l'effet d'un confinement géométrique.

La croissance biologique est un ensemble de processus complexes pouvant notamment générer des contraintes mécaniques. Ces dernières contribuent, en étroite association avec les déterminants biologiques, à façonner les objets vivants. On s'est attaché dans ce travail à éclairer le couplage entre élasticité et croissance avec un accent particulier sur les objets minces, libres ou confinés. On commence par écrire une théorie permettant de décrire les déformations d'une plaque mince soumise à un champ de croissance arbitraire. Dans cette limite géométrique, on montre que la croissance possède une interprétation simple et élégante : c'est une source de courbure moyenne et de courbure de Gauss. A titre d'illustration, on étudie à travers deux exemples d'inspiration végétale le rôle des hétérogénéités et de l'anisotropie de la croissance comme sources de déformations spontanées. Dans un second temps, on s'intéresse à l'importance du confinement sur la croissance des corps minces et notamment le cas où ceux-ci possèdent une face libre et une face liée à un substrat. Cette situation où les conditions aux bords de l'objet sont maintenant antagonistes restreint fortement les structures atteignables et est explorée à travers un modèle mécanique de développement des mélanomes. On montre que ce type de confinement, fréquemment observé dans les tissus animaux, peut être à l'origine d'une importante focalisation des contraintes lors d'un processus de croissance. Finalement, on réalise expérimentalement une tumeur artificielle à l'aide d'hydrogels, capables de gonfler quand on les immerge dans un solvant. A travers cette expérience, on souligne le rôle des contraintes mécaniques dans le développement tumoral et on met en exergue la distinction entre croissance biologique et gonflage. Plus généralement, cela nous permet d'aborder l'inhibition de la croissance par les contraintes et de préciser le rôle des hydrogels comme substitut des tissus biologiques.

La fluorescence d'une molécule est sensible à son environnement électromagnétique. La présence d'une structure métallique modifie l'excitation et l'émission des fluorophores, par le jeu d'interférences et de couplages avec les plasmons de surface. Nous avons élaboré et caractérisé des films métalliques de différentes morphologies (films de nanoparticules, percolés, continus, plans, rugueux. . .). Leur influence sur la réponse optique<br />des fluorophores a été étudiée par la modélisation puis l'expérience, en fonction de la distance fluorophore-métal et de l'orientation moléculaire. Une amplification d'un à deux ordres de grandeur du signal détecté est observée, ainsi qu'une photostabilisation des fluorophores et une modification des transferts d'énergie intermoléculaires. Nous<br />démontrons l'intérêt de cette technologie pour améliorer la sensibilité dans les puces à ADN et pour l'imagerie des cellules et des tissus.

La qualité des images en TEP est directement liée à l'algorithme de reconstruction utilisé. Les méthodes de reconstruction statistiques peuvent modéliser, via la matrice système, les différents phénomènes physiques qui détériorent la qualité des images. Notre approche consiste d'une part, à modéliser les différents phénomènes géométriques et physiques, au moyen de l'outil de simulation Monte-Carlo, et d'autre part, à exploiter les données dans un format "mode-liste" présentant de nombreux avantages, afin de les reconstruire à l'aide d'un algorithme de reconstruction 3D. Cette méthode, appelée SIMALIR, a été appliquée et étudiée sur la caméra MOSAIC(TM) de Philips, système TEP dédié au petit animal qui a fait l'objet d'une modélisation à l'aide de la plateforme GATE. Les principales performances du modèle simulé et particulièrement la distribution spatiale ont été testées et validées, afin de pouvoir les exploiter dans la modélisation de la matrice système. Les résultats précliniques et sur des objets tests ont montré que la méthode SIMALIR permet d'améliorer considérablement la qualité des images reconstruites par rapport aux programmes de reconstruction classiques.

Nous avons développé une simulation de Monte Carlo rapide pour la tomographie à émission de positons (TEP) fondée sur le code SimSET modélisant la propagation des photons gammas dans le patient et le scanner basé sur un design en blocs. La validation de ce simulateur avec un code bien validé, GATE, et des données acquises sur un scanner TEP GE Discovery STE a montré qu'il modélise précisément les spectres en énergie (erreur inférieure à 4,6%), la résolution spatiale (6,1%), la fraction de diffusé (3,5%), la sensibilité aux coïncidences primaires (2,3%) et les taux de comptage (12,7%). Nous avons ensuite développé une correction de la diffusion incorporant l'énergie des photons détectés en mode liste en plus de la distribution spatiale des coïncidences diffusées. Notre approche est basée sur une reformulation de la fonction de vraisemblance contenant l'information en énergie donnant lieu à un algorithme de reconstruction EM contenant des termes de correction de la diffusion spatiaux et énergétiques. Nous avons aussi proposé une nouvelle méthode de normalisation du sinogramme diffusé utilisant l'information en énergie. Enfin, nous avons développé une méthode d'estimation des spectres primaires et diffusés détectés dans différents secteurs du scanner TEP. Nous avons évalué notre méthode spatio-spectrale de correction de la diffusion ainsi que la méthode spatiale traditionnelle dans des simulations de Monte Carlo réalistes. Ces résultats montrent que notre approche réduit les biais de quantification de 60% dans les régions froides dans les patients obèses, donnant lieu à des erreurs de quantification inférieures à 13% même dans les patients les plus larges en mode 3D (comparé à une erreur de 65% avec la méthode conventionnelle).