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Deux types de problématiques différentes peuvent motiver l'approche structurale d'une macromolécule. Soit la fonction de cette macromolécule est inconnue et l'on détermine sa structure afin de mieux connaître sa fonction ; cette démarche était l'un des défis du développement de la génomique structurale. Soit la fonction est connue et la structure va permettre de comprendre comment cette molécule remplit son rôle biologique.<br />Durant ma thèse, j'ai eu l'occasion de pouvoir aborder deux projets structuraux très différents, qui correspondent à ces deux approches de biologie structurale. C'est pourquoi mon manuscrit décrit ces deux projets dont la démarche scientifique est différente et complémentaire pour ma formation en biologie structurale. <br />Dans un premier temps, je décrirai les résultats obtenus sur le projet PAB0955, débuté en stage de DEA et poursuivi pendant les deux premières années de ma thèse. Ce projet avait pour objectif de déterminer la fonction de la protéine d'après sa structure. La protéine PAB0955 est de fonction biologique inconnue, elle hydrolyse le GTP et elle n'a pas de proche homologue dont la structure est connue. La démarche scientifique de ce projet a été de déterminer la structure de cette protéine, puis d'analyser sa structure en la comparant de manière systématique à l'ensemble des protéines ATPases et GTPases. Notre étude a été conduite dans l'objectif extraire un maximum d'information fonctionnelle à partir des données structurales.<br />Dans une deuxième partie, je décrirai notre étude sur des protéines du système immunitaire humain débuté en troisième année de thèse. Nous nous sommes intéressés à des molécules impliquées dans la reconnaissance d'antigène : le récepteur du lymphocyte T (TCR) et la molécule du complexe majeur d'histocompatibilité (CMH). L'objectif de ce projet est de comprendre comment un complexe antigène-CMH sélectionne un répertoire de lymphocyte T spécifique. L'objectif étant de déterminer le lien entre les caractéristiques structurales d'un complexe antigène-CMH et la diversité et la fréquence des lymphocytes T activés par ce complexe. En résumé corréler les observations structurales avec les données immunologiques dont nous disposons. En déterminant les bases structurales du caractère antigénique d'un peptide présenté par une molécule CMH nous pourrons, à plus long terme, produire des peptides efficaces dans le cadre d'une vaccination

L'objectif de ce travail était d'optimiser les conditions ainsi que les techniques d'acquisition par spectroscopie et par imagerie spectroscopique par RMN du proton in vivo, chez le petit animal pour les appliquer à des études biologiques. Les conditions d'acquisitions ont été améliorées par la mise en place d'une technique de correction automatique des inhomogénéités de champ magnétique. Les séquences d'acquisition ont été optimisées par l'utilisation de la technique de suppression d'eau VAPOR et par l'utilisation de l'imagerie spectroscopique par encodage spiral à temps d'écho court. <br />Le pH extracellulaire (pHe) dans les tumeurs est plus acide que dans le tissu sain. Cette acidité semble être un facteur favorisant la prolifération. A l'aide d'une nouvelle molécule sonde, l'ISUCA, nous avons utilisé l'imagerie spectroscopique pour cartographier la distribution de pH extracellulaire dans les tumeurs et la comparer avec la distribution du lactate. Celles-ci ne sont pas corrélées spatialement, de plus à la suite d'une hyperglycémie, les quantités de lactate et de protons augmentent de manière globale mais avec une corrélation spatiale négative. Ces résultats suggèrent une redistribution des protons des sites de la glycolyse vers des pompes membranaires.<br />Le second projet biologique portait sur l'étude du rôle de l'ammonium dans la régulation de la glycolyse dans le cerveau. L'hyperammoniémie augmente la concentration de lactate cérébral: j'ai montré que cette augmentation peut être transitoire, ce qui est une condition incontournable pour un éventuel rôle physiologique de l'ammonium dans le couplage métabolique entre neurones et astrocytes.

Ce manuscrit traite de trois problématiques physiologiques qui mettent en jeu des écoulements de liquide, et parfois des interactions fluide-structure. Nous épurons chaque situation pour en extraire un montage expérimental modèle conservant ses composantes physiques et mécaniques.<br /><br />Les occlusions pulmonaires sont des lentilles de liquides qui peuvent être formées grâce à l'instabilité capillaire dans des tubes. Nous montrons que cette instabilité est affectée, et parfois supprimée, par la gravité, même aux faibles nombres de Bond : seules les plus petites bronchioles sont susceptibles de développer l'instabilité de Plateau-Rayleigh. Les étapes finales de la formation de la lentille liquide font intervenir une singularité spécifique à la géométrie tubulaire, que nous traitons par des modèles en loi d'échelle.<br /><br />L'entropion est un enroulement de la paupière qui provoque un contact indésirable entre les cils et le globe oculaire. Nous étudions l'influence de l'élasticité de la paupière sur l'étalement du fluide lacrymal, grâce à un modèle de type Landau-Levich. Nous examinons ensuite la possibilité du retournement de la paupière lors de la fermeture de l'œil. <br /><br />Un anévrisme de l'aorte abdominale (AAA) est une zone localement dilatée de la plus grosse artère du corps humain. Nous étudions expérimentalement, numériquement et théoriquement la réponse d'un tuyau élastique à un écoulement pulsé comme l'est celui du cœur. Sur l'échelle de temps du cycle cardiaque, nous mettons en lumière deux régimes possibles de déformation en fonction de la sollicitation : la membrane peut soit se dilater de façon synchrone à chaque cycle, soit propager des ondes de déformation. Le seuil de transition est explicité d'une part grâce à un modèle d'ondes élastiques, et d'autre part en considérant le temps nécessaire pour atteindre l'équilibre. Sur des échelles de temps très longues en comparaison du cycle cardiaque, un modèle moyen de type windkessel permet de rendre compte d'un débit critique au delà duquel le tube se dilate et forme un anévrisme . Les expériences numériques permettent de coupler les ondes avec le développement d'un anévrisme, ouvrant des pistes prometteuses en ce qui concerne la localisation préférentielle d'un anévrisme.

Les gouttes, les vésicules et les globules rouges sont des objets mous et déformables, structurés et de taille micrométrique (de 1 à 100 microns de diamètre). L'objectif de ce travail est de déterminer la participation de chaque paramètre mécanique des objets étudiés (tension de surface, élasticité, viscosité...) à partir de leur comportement sous écoulement. Nous avons choisi de nous intéresser tout particulierement à la réponse de ces objets sous écoulement confiné (ou semi-confiné) en utilisant une approche de type « microfluidique ». <br />La production de tensio-actif à la surface d'une goutte en mouvement influence sa forme et sa dynamique. L'étude détaille notamment les effets de la concentration et de la géométrie.<br />La mise au point de vésicules aux propriétés complexes modulables par l'action de la température est exposée. Nous avons aussi étudié l'impact de la transition sol/gel de la membrane lipidique de vésicules DMPC sur leur comportement sous champs externes (pression osmotique, écoulement...). <br />Dans le cas des globules rouges soumis à un cisaillement, deux types de mouvements sont connus : un mouvement de bascule et un mouvement de chenille de char. Nous avons mis en évidence l'existence d'un nouveau régime d'oscillations superposé au mouvement de chenille de char. Notre étude a également porté sur le comportement de globules rouges s'écoulant dans des canaux de dimension comparable a leur taille. Un diagramme de forme a été établi en fonction de la vitesse de l'objet, de la viscosité externe et de la section du capillaire. Nous avons développé un système mesurant la chute de pression associée au passage d'une cellule unique dans un canal de même dimension. Cette mesure permet notament de corréler le signal obtenu avec les propriétés physiques et mécaniques des objets étudiés. Nous avons illustré cette approche avec des globules blancs et des globules rouges. Nous nous sommes enfin intéressés au cas d'une suspension concentrée de cellules sanguines dans un écoulement pathologique: la thrombose.

Les puces à ADN, dont la détection est réalisée par fluorescence, ont démontré leur efficacité pour l'identification du génome depuis plusieurs années. Cependant, si on s'intéresse à l'analyse fine des interactions mises en jeu, c'est à dire visualiser en temps réel la cinétique de l'interaction, le marquage est susceptible de changer la distribution de charges et par la même de modifier l'affinité des sites de reconnaissance. Parmi les approches s'affranchissant du marquage fluorescent, notre choix s'est porté sur une détection optique, par ellipsométrie spectroscopique et / ou par la lecture de la résonance des plasmons de surface (RPS), des interactions, présentant le compromis le plus intéressant entre sensibilité et capacité de miniaturisation. <br /><br />Ces techniques optiques reposant sur la mesure couplée de l'épaisseur et des indices optiques de la couche adsorbée. Dans une première étape, la détermination statistique par Microscopie à Force Atomique de microstructures lithographiées et fonctionnées par des monocouches biomimétiques a permis d'estimer les variations d'épaisseurs nanométriques induites par l'adsorption des molécules étudiées. Si l'ellipsométrie spectroscopique présente une très grande sensibilité ex situ à l'indice optique, l'étude angulaire de réflectivité RPS s'avère être la technique optique la plus sensible en milieu liquide. Nous avons montré, par ailleurs que la lecture spectroscopique du déphasage de la réflectivité RPS est 100 x plus sensible que l'étude angulaire et permet de déterminer séparément les épaisseurs, le modèle d'indices optiques (gradient, fraction volumique) de la couche biologique.<br /><br /> Le passage d'une analyse monocapteur à une lecture multicapteurs a été étudié par deux modes de microscopies RPS : <br />- l'imagerie en champ lointain par CCD permet outre la rapidité d'acquisition, d'intégrer 1 000 capteurs / cm2 <br />- la microscopie spectroscopique ellipsométrique à balayage, compte de tenu de la convolution du faisceau incident avec la surface microstructurée est limitée à 256 capteurs / cm2 mais présente l'avantage d'acquérir localement un spectre qui servira à une analyse paramétrique (indices optiques, fraction volumique, épaisseur).

Nous présentons ici un résumé de nos travaux sur l'utilisation de nanocristaux semiconducteurs comme sondes fluorescentes pour l'optique et la biologie.

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Ce document traite des aspects différents de la modélisation moléculaire d'une protéine de la matrice extracellulaire. Le domaine de signature des thrombospondines est étudié en détail dans ce document en faisant appel aux champs variés de la science. La complexité de ce domaine nécessite l'utilisation des approches de la mécanique quantique moléculaire en plus de la dynamique moléculaire classique. En reliant les deux approches un nouveau algorithme a été développé afin d'attribuer des charges partielles à partir des résultats obtenus par des méthodes ab-initio. Pour implémenter cet algorithme d'une façon efficace, les nouvelles méthodes de la programmation massivement parallèle ont été utilisées qui nous permettent entre autres de faire tourner cet algorithme sur les procsesseurs graphiques. Nous avons également utilisé et développé des nouvelles méthodes de la visualisation moléculaire rapprochant l'art à la science. En plus, de ces développements nous avons obtenus des résultats intéressants sur la dynamique du domaine de signature. Nous avons pu identifier les ions échangeables de ce domaine. Nous avons vérifié et élargie les modèles existants de la thrombospondine dans des concentrations faibles de calcium. En utilisant la dynamique moléculaire nous avons également évalué des sites importants de fixations pour le développement de nouveaux médicaments contre le cancer.

Les protéines sont parmi les molécules les plus importantes du monde vivant. Ce sont en quelque sorte les abeilles ouvrières de tout organisme. Elles remplissent, entre autres, des fonction enzymatiques, nerveuses, motrices ; elles transportent les petites molécules qui permettent aux cellules de fonctionner et de s'alimenter. Au cours de ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à l'étude de différents aspects des changements conformationnels pouvant avoir lieu dans les protéines. Tous ces phénomènes ont été approchés par une méthode commune : la mesure du dichroïsme circulaire résolu en temps. En effet le dichroïsme circulaire peut donner des informations quantitatives sur la position d'un chromophore ou le repliement d'une hélice alpha ce qui est un grand avantage par rapport à d'autres mesures. Ainsi nous avons étudié l'influence du solvant sur le dépliement de l'acide polyglutamique et observé des différences dynamiques et thermodynamiques entre les polypeptides dissouts dans l'eau et ceux placés dans l'eau lourde. Nous avons, par une méthode différente, élucidé une étape clef de la relaxation du chromophore dans la protéine PYP. Enfin nous avons abordé le mouvement des hélices alpha dans la bactériorhodopsine et ouvert la porte à la possibilité de changements conformationnels non prédits par d'autres mesures. Grâce à différentes méthodes de mesure du dichroïsme circulaire nous avons pu étudier des phénomènes à des échelles de temps variant de la picoseconde à la microseconde. Nous espérons que ces méthodes pourront être étendues à l'étude d'autres mécanismes de repliement.