Le monde biologique est rempli de mystères. La compréhension de nombreux processus biologiques extrêmement complexes est grandement améliorée par la combinaison d’approches empruntées à différentes disciplines telles que la chimie et plus récemment la physique. La physique utilise des outils expérimentaux tels que les pinces optiques et les microscopies optique et électronique pour explorer les mécanismes à l’échelle microscopique se déroulant dans la cellule. La connaissance de la nature des interactions entre biomolécules et la possibilité de traduire ces interactions en équations ont permis à la physique de construire des modèles simples mais contenant les ingrédients suffisants à la description d’un mécanisme spécifique. La simulation numérique de tels modèles permet d’améliorer notre compréhension de la relation entre les mécanismes pertinents à l’échelle moléculaire et les observations expérimentales de phénomènes biologiques. / The biological world is full of mysteries. The understanding of many extremely complex biological processes is greatly improved by the combination of approaches borrowed from different disciplines such as chemistry and more recently physics. Physics uses experimental tools such as optical tweezers and optical and electron microscopes to explore the microscopic mechanisms taking place in the cell. Knowledge of the nature of the interactions between biomolecules and the possibility of translating these interactions into equations allowed physics to construct models that are simple, but contain the ingredients sufficient to describe a specific mechanism. The numerical simulation of such models improves our understanding of the relationship between relevant molecular-scale mechanisms and experimental observations of biological phenomena. The structural organization of biomolecular complexes is a process that involves various scales of length and time.

La phosphorylation constitue un mécanisme de régulation de la fonction biologique des protéines lié au contrôle des associations inter-moléculaires, de l'activité enzymatique ou de la liaison de ligands. L'isomérisation des liaisons Ser/Thr-Pro après phosphorylation par des kinases spécifiques, souvent impliquées dans le contrôle du cycle cellulaire, se présente comme un nouveau mode de régulation. Ces deux mécanismes de signalisation sont étroitement liés par l'intermédiaire d'enzymes catalysant l'isomérisation cis/trans des prolines au niveau de motifs Ser/Thr-Pro phosphorylés telles que les peptidyl-prolyl cis/trans isomérases de la famille de Pin1. Elles jouent un rôle cellulaire essentiel mais leur rôle moléculaire exact est encore mal connu. Les interactions moléculaires entre Pin1 et de nombreuses phospho-protéines mitotiques indiquent un rôle dans la régulation du cycle cellulaire et dans l'oncogénèse, et font de Pin1 une cible pharmacologique émergente dans le traitement des cancers. Récemment, des interactions avec la protéine microtubulaire Tau dans sa forme pathologique hyperphosphorylée, au niveau d'un site unique centré autour du motif Thr231-Pro232, pourraient impliquer Pin1 dans la régulation de la liaison de Tau aux microtubules et dans les phénomènes de neurodégénérescence observés dans la maladie d'Alzheimer.<br /><br />Nous avons ciblé les interactions entre Pin1 et la protéine Tau comme modèle de substrats pour une étude détaillée des mécanismes intervenant à l'échelle moléculaire, sur base de substrats peptidiques, qui permettraient d'expliquer le rôle fonctionnel de Pin1. L'interaction avec les substrats au travers des motifs Ser/Thr-Pro phosphorylés est double : un domaine de liaison WW permet la liaison du substrat et un domaine catalytique PPIase (peptidyl-prolyl isomérase) catalyse l'isomérisation cis/trans des prolines. Un criblage par RMN des différents motifs phospho-Ser/Thr-Pro au sein de la protéine Tau a permis de déterminer un nouveau site d'interaction centré autour du motif Thr212-Pro213, phosphorylé uniquement dans la forme pathologique de Tau. <br /><br />Nous avons étendu l'investigation des interactions avec Pin1 à l'échelle de la protéine Tau entière. Comme pour la plupart des régions protéiques impliquées dans les interactions avec Pin1, la protéine Tau se caractérise par une absence de structure globale qui limite considérablement les études par RMN. Un fragment peptidique de 40 acides aminés comprenant les sites Thr231 et Thr212 phosphorylés a permis de montrer un rôle régulateur du domaine WW dans l'activité enzymatique. Une première étude avec une protéine mutante mimant l'état phosphorylé de Tau a montré une interaction avec le domaine catalytique de Pin1 et a nécessité la mise au point préalable d'une technique d'attribution de la protéine Tau par RMN que nous avons appelé « mapping peptidique ».<br /><br />La phosphorylation du domaine WW de Pin1 est associée à l'inhibition de la liaison des substrats et joue un rôle dans la régulation de l'activité de Pin1 in vivo. La forme non phosphorylée active de Pin1 est retrouvée majoritairement dans les cellules cancéreuses et la forme phosphorylée inactive dans les cellules saines. Nous avons envisagé de cibler les interactions entre Pin1 et les phospho-peptides avec la synthèse de molécules organiques mimant le dipeptide phosphoThr-Pro et la mise en œuvre d'un test de criblage par RMN pour l'obtention d'inhibiteurs ciblant le domaine WW de Pin1 qui pourraient mimer la forme inactive de la protéine.

L’imagerie par Résonance des Plasmons de Surface (SPRI) est une technique d’analyse d’interactions moléculaires présentant de nombreux avantages. Elle peut être appliquée en temps réel et sans marquage, pour étudier un grand nombre d’interactions simultanément sur un même échantillon. La transduction d’un événement d‘interaction entre deux molécules complémentaires en un signal optique, repose sur la perturbation de l’onde plasmonique évanescente créée à la surface d’un film métallique mince.Toutefois, bien que la mesure SPR soit directe et sans marquage, sa spécificité repose entièrement sur celle des molécules sondes déposées à la surface de la puce et donc sur la chimie ayant servi à les immobiliser. Cette limitation devient problématique pour adresser les grands enjeux de santé actuels, liés à la détection de molécules à l’état de traces. En particulier, de nouveaux systèmes d’analyse plus sensibles sont requis pour pouvoir diagnostiquer le cancer au plus tôt, ou encore détecter la présence de contaminants agro-alimentaires en faible concentration.Dans cette perspective d’amélioration de la spécificité de détection, ce travail porte sur la mise au point d’un instrument bimodal couplant la SPRI, capable de quantifier la capture de molécules cibles, à la Spectrométrie Raman Exaltée de Surface (SERS), qui permet d’identifier la nature des molécules capturées en déterminant leur « empreinte » moléculaire. Cette thèse s’inscrit dans un projet ANR regroupant un consortium de partenaires académiques et un industriel.Ce document se concentre sur le développement de l’instrument optique combinant les deux systèmes de détection en un seul prototype. La mesure SPRI est réalisée en configuration Kretschmann, tandis que l’analyse SERS s’effectue par le dessus, en milieu liquide, à travers un hublot. Ces deux mesures simultanées sont rendues possibles grâce à la mise au point d’un substrat métallique nanostructuré. Une caractérisation détaillée du système optique est tout d’abord présentée, puis de premiers résultats de validation de la mesure bimodale sur un cas modèle d’interaction biomoléculaire ADN sont démontrés. Ces expériences prometteuses confirment le fonctionnement de l’instrument bimodal dans la perspective d’applications d’intérêt biologique. / Surface Plasmon Resonance Imaging (SPRI) is a powerful technique to study molecular interactions providing a real time, label free and high throughput analysis. The transduction of an interaction between complementary molecules into an optical signal is based on the perturbation of a plasmonic evanescent wave supported by a thin metallic film.However, despite its direct and label free assets, the specificity of SPR measurements is only guaranteed by the probe molecules grafted on the metallic surface and therefore by the quality of the surface chemistry. This limitation becomes an issue when addressing major health concerns relying on the detection of trace molecules. In particular, new systems are required to help early diagnosis and the control of food contaminants.In view of improving measurement’s specificity, this work reports the development of a bimodal instrument coupling SPRI, allowing the quantification of captured molecules, with Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS), adding the precise identification of the molecules by measuring their spectroscopic fingerprint. This PhD is part of an ANR project bringing together academic and industrial partners.This manuscript focuses on the development of the optical instrument combining the two detection systems in a unique prototype. SPRI measurements are performed in the Kretschmann configuration while SERS analysis is implemented from the top, in solution, through a glass window. Nanostructured substrates have been designed and realized to allow the simultaneous experiment.The optical system is described, characterized and validated on the model case of a DNA hybridization. These first results prove the capabilities of the bimodal instrument in the perspective of more complex biological applications.

L'auto-organisation des organismes vivants est d'une complexité et d'une efficacité étonnantes. Plus précisément, les systèmes biologiques abritent un nombre gigantesque de réactions très spécifiques qui nécessitent que la bonne biomolécule se retrouve à la bonne place, dans le bon ordre et en un temps suffisamment court pour permettre le fonctionnement cellulaire, et au-delà la vie cellulaire. D'un point de vue dynamique, cela pose la question fondamentale de savoir comment les biomolécules trouvent efficacement leur(s) cible(s) spécifique(s), ou encore, quels types de forces rassemblent tous ces partenaires de réaction spécifiques dans un environnement aussi dense et ionisé que les micro-environnements cellulaires. Dans cette thèse, nous explorons la possibilité que des biomolécules puissent interagir à travers des interactions électromagnétiques de longue-portée telles que ces dernières sont prédites à partir des premiers principes de la physique; ''longue-portée'' signifiant que les interactionsen question sont actives sur des distances bien plus larges que les dimensions typiques des molécules mises en jeu (i.e., plus grandes qu'environ 50 angströms dans les systèmes biologiques). Après avoir posé les fondements théoriques concernant les interactionsde longue-portée potentiellement actives sur de longue distances dans un contexte biologique, nous étudions la posssibilité de détecter leur éventuelle contribution à partir de dispositifs expérimentaux qui sont accessibles de nos jours. Sur ce dernier point, des résultats préliminaires encourageants tant sur le plan théorique qu'expérimental sont présentés. / Self-organization of living organisms is of an astonishing complexity and efficiency. More specifically, biological systems are the site of a huge number of very specific reactions thatrequire the right biomolecule to be at the right place, in the right order and in a reasonably short time to sustain cellular function and ultimately cellular life. From the dynamic point of view, this raises the fundamental question of how biomolecules effectively find their target(s); in other words, what kinds of forces bring all these specific cognate partners together in an environment as dense and ionized as cellular micro-environments. In the present thesis, we explore the possibility that biomolecules interact through long-range electromagnetic interactions as they are predicted from the first principles of physics; "long-range" meaning that the mentioned interactions are effective over distances much larger than the typical dimensions of the molecules involved (i.e., larger than about 50 angströms in biological systems).After laying the theoretical foundations about interactions that are potentially active over long distances in a biological context, we investigate the possibility of detecting their contribution from experimental devices which are nowadays available. On the latter point, encouraging preliminary results both at the theoretical and experimental levels are exposed.

Ce travail de thèse parti de l'observation que la maintenance des fonctions cellulaires est basée sur l'orchestration précise d'interactions fonctionnelles entre biomolécules telles que l'ADN, l'ARN et les protéines. Bien que ces processus basiques ne montrent pas généralement une organisation spatiale stricte, ils semblent néanmoins contraints par des schémas dynamiques ou spatiaux précis. Cela pose ainsi la question des forces pouvant, dans un microenvironnement cellulaire, diriger les différents acteurs de processus biochimiques complexes au bon endroit, au bon moment et dans le bon ordre afin d'assurer les fonctions cellulaires essentielles. L'existence de forces sélectives à longue portée de nature électromagnétique, pouvant être responsables de l'extraordinaire efficacité des machineries biomoléculaires, est prédite par la mécanique quantique et l'électrodynamique; par longue portée, nous entendons entre 0.1 à 1 micron, ce qui est bien au delà de celle des forces traditionnelles reconnues comme les forces électrostatiques, de van der Waals-London ou les liaisons hydrogènes. Aucune procédure expérimentale ne fut proposée à ce jour pour confirmer ou infirmer cette hypothèse d'une utilisation efficace de telles forces électromagnétiques dans la matière vivante. Si ces forces sélectives de recrutement à longue portée sont effectivement actives au niveau biomoléculaire, cela constituerait un pas important vers une compréhension des processus et mécanismes cellulaires fondamentaux (expression génique, division cellulaire, signalisation, etc.). / The main subject of the present thesis work stems from the observation that the maintenance of cell functions is based on a precise orchestration of functional interactions between biomolecules such as DNA, RNA and proteins. Although these basic processes generally do not exhibit strict spatial organization, they seem constrained into a very accurate temporal - or dynamic - pattern. This raises the question of what types of physical forces can, in the cellular microenvironments, bring the various actors of complex biochemical processes both in the right place, at the right time and in the right order so as to ensure the essential cellular functions. The existence of selective, long-range forces of electromagnetic nature that may be responsible for the extraordinary efficiency of the biomolecular machineries is predicted by quantum mechanics and electrodynamics ; long-range meaning here of the order of 0.1-1 micron, well beyond the traditionally recognized forces, electrostatic ones, hydrogen bonds, van der Waals-London, etc.). Yet, to date, no experimental test has been proposed to disprove or confirm the hypothesis of an effective exploitation of such electromagnetic forces in living matter. If these selective, long-range recruitment forces were found to be active at the biomolecular level, this would represent an important step forward to the understanding of fundamental cellular processes and mechanisms (gene expression, cell division, signalling, etc.).

Les modèles de la biologie des systèmes visent à comprendre le comportement d’une cellule à travers un réseau biomoléculaire complexe. Dans a littérature, la plupart des études ne se sont intéressés qu’à la modélisation des parties isolées du réseau biomoléculaire com les réseaux métaboliques, etc. Cependant, pour bien comprendre le comportement d’une cellule, nous devons modéliser et analyser le réseau biomoléculaire dans son ensemble. Les approches existantes ne répondent pas suffisamment à ces exigences. Dans ce projet de recherche,nous proposons une plate-forme qui permet aux biologistes de simuler les changements d’état des réseaux biomoléculaires dans le but de piloter leurs comportements et de les faire évoluer d’un état non désiré vers un état souhaitable. Cette plate-forme utilise des règles, des connaissances et de l’expérience, un peu comme celles que pourrait en tirer un biologiste expert. La plate-forme comprend quatre modules : un module de modélisation logique, un module de modélisation sémantique, un module de simulation qualitative à événements discrets etun module d’optimisation. Dans ce but, nous présentons d’abord une approche logique pour la modélisation des réseaux biomoléculaires complexes, incluant leurs aspects structurels, fonctionnels et comportementaux. Ensuite, nous proposons une approche sémantique basée sur quatre ontologies pour fournir une description riche des réseaux biomoléculaires et de leurs changements d’état. Ensuite, nous présentons une méthode de simulation qualitative à événements discrets pour simuler le comportement du réseau biomoléculaire dans le temps. Enfin, nous proposons une méthode d’optimisation multi-objectifs pour optimiser la transitabilité des réseaux biomoléculaires complexes dans laquelle nous prenons en compte différents critères tels que la minimisation du nombre de stimuli externes, la minimisation du coût de ces stimuli, la minimisation du nombre de noeuds cibles et la minimisation de l’inconfort du patient. En se fondant sur ces quatre contributions, un prototype appelé CBN-Simulateur a été développé. Nous décrivons nos approches et montrons leurs applications sur des études de cas réels, le bactériophage T4 gene 32, le phage lambda et le réseau de signalisation p53. Les résultats montrent que ces approches fournissent les éléments nécessaires pour modéliser, raisonner et analyser le comportement dynamique et les états de transition des réseaux biomoléculaires complexes. / Systems biology models aim to understand the behaviour of a cell trough a complex biomolecular network. In the literature, most research focuses on modelling isolated parts of this network, such as metabolic networks.However, to fully understand the cell’s behaviour we should analyze the biomolecular network as a whole. Avail-able approaches do not address these requirements sufficiently. In this context, we aim at developing a platform that enables biologists to simulate the state changes of biomolecular networks with the goal of steering their be-haviours. The platform employs rules, knowledge and experience, much like those that an expert biologist mightderive. This platform consists of four modules: a logic-based modelling module, a semantic modelling module,a qualitative discrete-event simulation module and an optimization module. For this purpose, we first present alogic-based approach for modelling complex biomolecular networks including the structural, functional and be-havioural aspects. Next, we propose a semantic approach based on four ontologies to provide a rich description of biomolecular networks and their state changes. Then, we present a method of qualitative discrete-event simulation to simulate the biomolecular network behaviour over time. Finally, we propose a multi-objective optimization method for optimizing the transittability of complex biomolecular networks in which we take into account various criteria such as minimizing the number of external stimuli, minimizing the cost of these stimuli, minimizing the number of target nodes and minimizing patient discomfort. Based on these four contributions, a prototype called the CBNSimulator was developed. We describe our approaches and show their applicability through real cases studies, the bacteriophage T4 gene 32, the phage lambda, and the p53 signaling network. Results demonstrate that these approaches provide the necessary elements to model, reason and analyse the dynamic behaviour and the transition states of complex biomolecular networks.

La spectroscopie UV-Vis résolue en temps a été appliquée à l'étude de différents systèmes moléculaires dont la photophysique est contrôlée par leur interaction avec l’environnement, mais aussi comme outil pour révéler des interactions moléculaires ou des dynamiques structurelles à des échelles de temps comparativement lentes (sec à min.), en utilisant la microfluidique de gouttes pour déclencher une relaxation structurale par des conditions initiales hors équilibre. J'ai appliqué cette approche selon trois axes allant de 1) l'étude approfondie des propriétés émissives des biosenseurs afin de permettre leur utilisation quantitative dans les études d'interactions biomoléculaires, à 2) le développement d'une approche expérimentale originale pour permettre la résolution la cinétique de relaxation structurelle d'une répartition hors équilibre des structures biomoléculaires, et enfin 3) l'application aux biotechnologies à haut débit de la fluorescence résolue en temps pour des analyses d'interactions biomoléculaires précises et rapides, pertinente à la fois pour les domaines académiques et industriels. / In the context of the present thesis, UV-Vis time-resolved spectroscopy was applied targeting the photophysics investigation of different environmentally sensitive molecular systems, but also as a biosensing approach to reveal molecular interactions or structural dynamics on much slower time scales (sec to min), using droplet microfluidics triggering structural relaxation through out-of-equilibrium initial conditions. I thus investigated on a three-axis-target spanning from 1) the in-depth investigation of the emissive properties of biosensors in order to allow their quantitative use in biomolecular interaction studies, to 2) the development of an original experimental approach to enable resolving the structural relaxation kinetics of an out-of-equilibrium distribution of biomolecular structures, and finally 3) the technological application of time resolved fluorescence for precise, rapid, cost effective, biomolecular interaction assays, appealing both for academic and industrial arenas.