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).

L'oxydation spontanée de la dopamine en solution légèrement basique a été étudiée sur la base de la publication de Lee [Science, 318:426-430, 2007], et le produit de la réaction a été identifié comme de la mélanine. La capacité de la mélanine de lier des groupements amines de façon covalente a été confirmée par la quantification des sites de liaison correspondants. En outre il est possible de rédisperser des agrégats de mélanine dans des solutions fortement basiques. Les grains de mélanine ainsi obtenus ont été utilisés pour construire des films multicouches avec le poly(diallyldimethyl ammonium) (PDADMA). Différentes méthodes d'oxydation de la dopamine pour former des films de mélanine à l'interface solide-liquide ont été développées. Toutes les méthodes mènent à la formation de films continus de mélanine ayant des morphologies de surface similaires. Elles deviennent imperméables à des sondes électrochimiques à partir d'une épaisseur de l'ordre de 10 nm. Une plus grande perméabilité à des sondes chargées positivement ou neutres qu'à des sondes négatives a été confirmée. L'adsorption de protéines à des revêtements de mélanine a été expliquée par une combinaison d'interactions électrostatiques et covalentes. Pour arriver à cette explication le potentiel zêta de dépôts de mélanine a été mesuré en fonction du pH. La formation de la mélanine dans des films multicouches de poly(L-lysine) (PLL) et de hyaluronate (HA) a été étudiée: la mélanine est capable de remplir des films (PLL-HA)n de manière homogène, et les composés ainsi obtenus peuvent être détachés de leurs substrats comme membranes autosupportées préparées par une méthode biomimétique sous conditions douces.

Un vidéomicroscope permettant un suivi en temps réel, crucial en biologie cellulaire, est souvent cher et encombrant. Mon projet de thèse vise à développer un vidéomicroscope miniaturisé. L'objectif est de permettre, à terme, une meilleure parallélisation des expériences, mais également de favoriser une intégration avec d'autres capteurs, en l'envisageant comme un élément d'un laboratoire sur puce. La voie de miniaturisation choisie est de supprimer les objectifs de grossissement pour observer les objets directement sur la surface sensible d'un capteur d'image selon un mode appelé « imagerie de contact ». Pour cela, les différents éléments du microsystème ont été choisis et conditionnés pour protéger l'électronique du capteur vis-à-vis des milieux de culture aqueux, et assurer des conditions physiologiques aux cellules d'intérêt. Puis, l'observation des cellules a été optimisée en référence aux images fournies par des microscopes classiques. Le suivi en temps réel d'événements cellulaires (mitose, motilité, apoptose,...) à l'aide de notre prototype a ensuite été démontré. Enfin, les différents composants du système optique ont été caractérisés dans le but de mieux comprendre le mécanisme de formation de l'image et de l'optimiser. La résolution de notre microsystème (11,2 µm) donne accès à la morphologie cellulaire : celle-ci est potentiellement améliorable en utilisant des pixels de plus petite taille. Une perspective intéressante pour la biologie cellulaire serait de pouvoir détecter des phénomènes luminescent ou fluorescent.

Cette thèse s'intéresse à plusieurs aspects concernant la régulation génétique sur les plans théorique et expérimental. Un premier travail théorique qui s'inscrit dans le cadre de la modélisation des systèmes biologiques se propose de trouver des réseaux de régulation simples qui puissent répondre de manière optimale lorsqu'ils sont soumis à une stimulation périodique. Le réseau appelé ``Incoherent Feed Forward Loop'' s'est avéré présenter la propriété intéressante de laisser passer des trains de pulses au profil temporel particulier. Des extensions de ce motif (``Diamond'', ``Double Diamond''...) ont été suggérées pouvant également présenter des propriétés intéressantes pour traiter des signaux plus complexes. Un travail de revue et d'observations concernant les boucles d'ADN est ensuite présenté. Après avoir observé des points communs dans les systèmes de boucle d'ADN déjà connus, nous avons interrogé les bases de données pour savoir quelles étaient les régions de régulation présentant les mêmes caractéristiques. Nous proposons une liste de plusieurs opérons qui mériteraient une démarche expérimentale pour la mise en évidence d'une boucle d'ADN. Un travail expérimental de biologie moléculaire est ensuite présenté. Il s'est attaqué à tester une hypothèse présente dans plusieurs travaux de bioinformatique ou de physique statistique. La question testée est la suivante: est-ce que des facteurs de transcription pourraient se lier à des sites de liaison appartenant non pas à la même région de régulation d'un gène (comme dans le cas de l'opéron lac) mais à des sites de liaison appartenant à des gènes différents? Nous avons testé cette hypothèse sur le système de régulation d'entrée en virulence de la bactérie Erwinia chrysanthemi. Les expériences reproduites et réalisées dans plusieurs conditions physiologiques différentes ont abouti à la conclusion que les régions de régulation supprimées ne semblent pas agir sur d'autres gènes par le mécanisme de boucle d'ADN. Le dernier chapitre propose une méthode expérimentale pour rechercher de telles interactions de façon large dans un génome de bactérie. La méthode est basée sur des techniques de biologie moléculaire couramment utilisées comme la mutagénèse aléatoire ou l'alpha-complémentation. Elle utilise le système enhancer du promoteur de glnA d'Escherichia coli et vise à trouver des interactions 3D significatives entre segments d'ADN au sein d'un génome de procaryote.

Optical tweezers are a technique in which microscopic-sized particles, including living cells and bacteria, can be non-intrusively trapped with high accuracy solely using focused light. The technique has therefore become a powerful tool in the field of biophysics. Optical tweezers thereby provide outstanding manipulation possibilities of cells as well as semi-transparent materials, both non-invasively and non-destructively, in biological systems. In addition, optical tweezers can measure minute forces (&lt; 10-12 N), probe molecular interactions and their energy landscapes, and apply both static and dynamic forces in biological systems in a controlled manner. The assessment of intermolecular forces with force measuring optical tweezers, and thereby the biomechanical structure of biological objects, has therefore considerably facilitated our understanding of interactions and structures of biological systems. Adhesive bacterial organelles, so called pili, mediate adhesion to host cells and are therefore crucial for the initial bacterial-cell contact. Thus, they serve as an important virulence factor. The investigation of pili, both their biogenesis and their expected in vivo properties, brings information that can be of importance for the design of new drugs to prevent bacterial infections, which is crucial in the era of increased bacterial resistance towards antibiotics. In this thesis, an experimental setup of a force measuring optical tweezers system and the results of a number of biomechanical investigations of adhesive bacterial organelles are presented. Force measuring optical tweezers have been used to characterize three different types of adhesive organelles under various conditions, P, type 1, and S pili, which all are expressed by uropathogenic Escherichia coli. A quantitative biophysical force-extension model, built upon the structure and force response, has been developed. It is found, that this model describes the biomechanical properties for all three pili in an excellent way. Various parameters in their energy landscape, e.g., bond lengths and transition barrier heights, are assessed and the difference in behavior is compared. The work has resulted in a method that in a swift way allows us to probe different types of pili with high force and high spatial resolution, which has provided an enhanced understanding of the biomechanical function of these pili. / Optisk pincett är en teknik i vilken mikrometerstora objekt, inkluderande levande celler och bakterier, beröringsfritt kan fångas och förflyttas med hög noggrannhet enbart med hjälp av ljus. Den optiska pincetten har därmed blivit ett kraftfullt verktyg inom biofysiken, som möjliggör enastående precisions-manipulering av celler och semi-transparenta objekt. Dessutom kan denna manipulation göras intracellulärt, dvs. utan att fysiskt öppna eller penetrera cellernas membran. Den optiska pincetten kan även mäta mycket små krafter och interaktioner (&lt; 10-12 N) samt applicera både statiska och dynamiska krafter i biologiska system med utmärkt precision. Optisk pincett är därför en utmärkt teknik för mätning av intermolekylära krafter och för bestämning av biomekaniska strukturer och dess funktioner. Vissa typer av bakterier har specifika vidhäftningsorganeller som kallas för pili. Dessa förmedlar vidhäftningen till värdceller och är därför viktiga vid bakteriens första kontakt. En djupare förståelse av pilis uppbyggnad och biomekanik kan därmed ge information, som kan vara vital i framtagandet av nya mediciner som förhindrar bakteriella infektioner. Detta är av stor vikt i skenet av den ökande antibiotikaresistensen i vårt samhälle. I denna avhandling presenteras konstruktionen av en experimentell uppställning av kraftmätande optiskt pincett tillsammans med resultat från biomekaniska undersökningar av vidhäftande bakteriella organeller. Kraftmätande optisk pincett har använts för att karakterisera tre olika typer av pili, P, typ 1, och S pili, vilka kan uttryckas av uropatogena Escherichia coli. En kvantitativ biofysikalisk modell som beskriver deras förlängningsegenskaper under pålagd kraft har konstruerats. Modellen bygger på pilis strukturella uppbyggnad samt på dess respons som uppmäts med den kraftmätande optiska pincetten. Modellen beskriver de biomekaniska egenskaperna väl för alla tre pili. Dessutom kan ett antal specifika bindnings- och subenhetsparametrar bestämmas, t.ex. interaktionsenergier och bindningslängder. Skillnaden mellan dessa parametrar hos de tre pilis samt deras olika kraftrespons har jämförts. Detta arbete har dels resulterat i en förbättrad förståelse av pilis biomekaniska funktion och dels i en metod som, med hög noggrannhet, tillåter oss att bestämma ett antal biomekaniska egenskaper hos olika organeller på ett effektivt sätt.

Durant ces dernières années, la modélisation en physique est restée aveugle aux développements de disciplines sœurs ; en particulier la mécanique ou plutôt la robotique qui développe des outils puissants comme la cinématique inverse et les moteurs physiques (ou moteurs de jeux). Ces techniques sont couramment employées dans les jeux vidéo pour des résultats très réalistes. Je propose ici de montrer que nous pouvons simuler des assemblages d'ADN et de protéines (fibre de chromatine et à plus grande échelle des chromosomes) comme des systèmes articulés avec un moteur physique. Je montre aussi qu'il est possible d'étendre le thermostat local de Langevin à un thermostat global pour accélérer l'échantillonnage de l'espace des configurations du système ADN-protéines dans l'ensemble canonique. Ce nouveau thermostat est particulièrement intéressant lorsqu'il est utilisé avec un moteur physique. Plus précisément, je montrerai que la simulation que j'ai développée reproduit les résultats expérimentaux de manipulation de molécules uniques sous pinces magnétiques et permet de faire des prédictions. Enfin, cette simulation offre des perspectives intéressantes pour la modélisation des noyaux d'organismes allant de la drosophile à l'humain et la compréhension des toutes dernières données sur l'architecture des génomes.

Les enzymes de réparation de l'ADN sont des facteurs essentiels pour assurer l'intégrité du génome. Ainsi, la compréhension de la dynamique de leurs mécanismes d'interaction est capitale. NucS est une nucléase récemment découverte chez l'archée Pyrococcus abyssi, qui interagit avec des structures branchées de l'ADN à simple brin libre, appelées flaps. Sa caractérisation biochimique a mis en évidence une affinité nanomolaire pour l'ADN simple brin, avec l'existence de deux sites de liaison (site I et II) ainsi qu'une activité bidirectionnelle caractérisée par la capacité à cliver les flaps 5' et 3'. Les mécanismes qui sont à l'origine de cette activité, notamment ses modalités de chargement, de localisation et de dissociation, restent toutefois peu connus. Afin de sonder la dynamique des interactions de NucS avec son substrat, nous avons mis en place un microscope à illumination en onde évanescente permettant la détection et le suivi des événements d'interaction individuels entre la protéine marquée avec un fluorophore et un substrat d'ADN attaché à la surface. Nous avons ensuite développé une nouvelle technique de colocalisation qui permet de positionner une protéine individuelle par rapport à son substrat avec une précision de 50 nm pour des durées arbitraires. Nous avons alors étudié la cinétique d'association et de dissociation des complexes NucS-ADN individuels afin de résoudre les mécanismes qui régulent l'activité de l'enzyme dans différentes conditions. Dans des conditions où le clivage est inhibé, nous avons montré que l'association était dépendante du site I, bidirectionnelle et symétrique pour les flaps 3' et 5' et que la dissociation était orientée avec une affinité supérieure pour les flap 5'. Nous avons également montré que la dissociation suivait une cinétique du premier ordre indépendante de la diffusion de NucS sur le flap. Ceci indique que, dans ces conditions non clivantes, NucS s'associe et/ou se dissocie à des positions arbitraires sur le flap. Par la suite, nous avons étudié la cinétique d'association et de dissociation du complexe NucS-ADN à 45 ◦ C en présence du cofacteur de la réparation PCNA. Nous avons démontré que PCNA augmente la vitesse d'association de NucS avec les substrats 3' et 5'. Ceci indique que PCNA agit comme une plateforme qui facilite la reconnaissance de la lésion, avec un chargement ciblé de NucS à la jonction. De plus, nous avons montré que PCNA déstabilise le complexe NucS-ADN, vraisemblablement en exerçant une force pour plier l'ADN afin d'amener l'extrémité du flap vers le site II. Dans le cas de flaps 5', nous avons montré que la dissociation suit un mécanisme en deux étapes, qui est indépendant de la longueur du flap. Ceci nous a permis de proposer un modèle où NucS se charge par son site I directement à la jonction, courbe le substrat pour capturer l'extrémité simple brin par le site II pour le cliver. Dans le cas d'un flap 3', nous avons montré que la dissociation suit un mécanisme du premier ordre ce qui est probablement dû à la rapidité de la seconde étape dans le mécanisme proposé pour les flaps 5'. Nos résultats constituent ainsi une nouvelle contribution à la caractérisation intramoléculaire des interactions NucS-ADN. Les méthodes que nous avons développées constituent en outre un moyen original pour sonder la cinétique des interactions entre biomolécules et pourront être appliquées à de multiples systèmes.

<p>Gene expression is regulated in response to metabolic necessities and environmental changes throughout the life of a cell.</p><p>A major part of this regulation is governed at the level of transcription, deciding whether messengers to specific genes are produced or not.</p><p>This decision is triggered by the action of transcription factors, proteins which interact with specific sites on DNA and thus influence the rate of transcription of proximal genes.</p><p>Mapping the organisation of these transcription factor binding sites sheds light on potential causal relations between genes and is the key to establishing networks of genetic interactions, which determine how the cell adapts to external changes.</p><p>In this work I review briefly the basics of genetics and summarise popular approaches to describe transcription factor binding sites, from the most straight forward to finally discuss a biophysically motivated representation based on the estimation of free energies of molecular interactions.</p><p>Two articles on transcription factors are contained in this thesis, one published (Aurell, Fouquier d'Hérouël, Malmnäs and Vergassola, 2007) and one submitted (Fouquier d'Hérouël, 2008).</p><p>Both rely strongly on the representation of binding sites by matrices accounting for the affinity of the proteins to specific nucleotides at the different positions of the binding sites.</p><p>The importance of non-specific binding of transcription factors to DNA is briefly addressed in the text and extensively discussed in the first appended article:</p><p>In a study on the affinity of yeast transcription factors for their binding sites, we conclude that measured in vivo protein concentrations are marginally sufficient to guarantee the occupation of functional sites, as opposed to unspecific emplacements on the genomic sequence.</p><p>A common task being the inference of binding site motifs, the most common statistical method is reviewed in detail, upon which I constructed an alternative biophysically motivated approach, exemplified in the second appended article.</p>