Ce mémoire présente la mise en place d'un système complet de microscopie de fluorescence basé sur le processus non linéaire d'absorption à deux photons. Cette technique récente de microscopie biphotonique est caractérisée par de nombreux avantages pour l'étude d'échantillons biologiques, notamment en terme de limitation des photodommages. Combinée à des méthodes d'analyse de la dynamique d'émission de fluorescence, elle permet l'étude à la fois spatiale et temporelle de l'émission de fluorescence. Dans ce contexte, nous avons développé deux techniques d'analyse résolue en temps de la fluorescence. Une première technique d'analyse dynamique, la microscopie de corrélation de fluorescence, basée sur des mesures en micro-volume et sur une faible concentration moléculaire, a essentiellement été appliquée à l'étude du processus de diffusion translationnelle. En particulier, la microscopie de corrélation de fluorescence a permis, avec la sensibilité de détection d'une molécule unique, la détermination des coefficients de diffusion de sondes souvent utilisées en biologie : le FITC-dextran, la GFP (Green Fluorescent Protein) et la fluorescéine. Les performances de cette technique pour les études en milieux biologiques ont par ailleurs été validées par une application novatrice et originale à l'étude des mécanismes de la diffusion moléculaire au sein de biofilms de bactéries. Une deuxième technique d'analyse dynamique, l'imagerie des durées de vie fluorescence sous excitation à deux photons a été développée. La durée de vie de fluorescence d'une molécule, ou durée de vie de l'état excité singulet, est un paramètre caractéristique de l'état physico-chimique et de l'environnement d'une sonde fluorescente. Elle renseigne donc sur de nombreuses propriétés moléculaires essentielles à la compréhension des mécanismes intracellulaires. De premières applications concluantes de cette technique sont présentées, notamment des études in vitro de la réactivité de molécules d'intérêt pharmacologique ainsi que de premières mesures réalisées in vivo.

Les réseaux de neurones in vitro sont des systèmes simples et pertinents pour tenter d'aborder la complexité des traitements de l'information effectués par le cerveau. Ils sont d'autant plus intéressants lorsqu'une architecture évoquant l'organisation de réseaux in vivo peut être imposée. C'est pourquoi les substrats micro-patternés sont maintenant couramment utilisés pour forcer l'adhésion et le développement des cellules conformément à une topologie prédéfinie. Cependant, la création de microcircuits neuronaux requiert un contrôle précis du flux d'information entre les cellules, uniquement réalisable en induisant la polarité neuronale (i.e axonal differenciation) dans une direction spécifique. Bien que des molécules de guidance soient découvertes chaque jour, elles sont difficilement utilisables pour créer des réseaux in vitro de neurones polarisés puisque les technologies de patterning ne sont pas compatibles avec le greffage de protéines. Dans cette thèse, notre but était de réaliser un contrôle total de la polarité neuronale par l'action combinée d'une adhésion non spécifique et de contraintes physiques fournies par des géométries de pattern sophistiquées. Nous reportons ici un succès à près de 90 % du contrôle de la direction de la pousse de l'axone. Ce résultat s'est basé sur d'anciennes observations. D'une part, la localisation du centrosome détermine le point d'émergence de l'axone et d'autre part, l'application d'une tension mécanique extérieure est suffisante pour induire la formation de l'axone. Nous avons exploité ces deux résultats dans un seul motif. Celui-ci contraint la position du centrosome et empêche la pousse de l'axone dans les directions non désirées grâce à des lignes courbées spécifiques limitant la tension interne du neurite. Non seulement ces résultats offrent un outil important pour créer des réseaux de neurones modèles mais aussi ils questionnent la fonction du centrosome et les mécanismes d'adhésion et de transmission de force dans les neurites, trop longtemps négligés à la faveur de l'analyse du cône de croissance.

Il est difficile d'étudier in vivo le rôle de la membrane dans l'excitabilité des cellules car les paramètres pertinents (composition et état mécanique de la membrane, densité de canaux...) sont activement régulés par la cellule elle-même et donc difficilement ajustables expérimentalement. J'ai donc développé une méthode pour reconstituer un canal voltage-dépendant dans une membrane où ces paramètres peuvent être contrôlés. Pour cela j'ai exprimé, purifié et marqué KvAP, un canal potassique voltage-dépendant. J'ai ensuite adapté une méthode existante pour le reconstituer dans des Vésicules Unilamellaires Géantes (GUVs). J'ai mesuré la densité des canaux dans les GUVs grâce à la microscopie confocale. Des expériences d'électrophysiologie ont, de plus, montré que le canal reste fonctionnel après reconstitution. Ce système m'a permis d'étudier tout d'abord l'affinité du canal pour les membranes courbées. Pour cela, j'ai tiré des nanotubes de rayon contrôlé à partir de ces GUVs et j'ai mesuré la distribution du canal entre la vésicule et le tube par microscopie confocale. J'ai montré que le canal est enrichi dans le tube proportionnellement à sa courbure. Ce résultat est en accord avec une théorie basée sur l'élasticité de la membrane. Nous avons également étudié l'effet du confinement de la membrane sur la diffusion de KvAP. Par des expériences de suivi de particule unique, nous avons montré que le coefficient de diffusion le long du tube diminue d'un facteur 3 lorsque le rayon du tube décroît de 250 à 10 nm. Ce résultat est en accord avec le modèle hydrodynamique de Saffman et Delbrück appliqué à la géométrie cylindrique.

La biophotonique a permis de nombreuses avancées scientifiques, tant dans le domaine de la compréhension des mécanismes du vivant que dans le domaine de la médecine. Les biopuces optiques sont des outils participants à une plus grande compréhension des interactions biomoléculaires de surface et ont rendu possible le diagnostic génétique à haut débit ou la caractérisation simultanée d'un grand nombre d'interactions protéiques en parallèle. Les biopuces à résonance de plasmon de surface permettent de plus la caractérisation dynamique des interactions biomoléculaires, tout en se passant de l'utilisation de marqueurs fluorescents. L'objectif principal de ce travail a reposé sur la mise au point expérimentale d'un système de biopuces à résonance de plasmon de surface capable de caractériser dynamiquement l'anisotropie résultante de l'orientation moyenne d'édifices biomoléculaires de surface. La validation du système ainsi réalisé a été effectuée au travers de trois applications : l'observation de l'orientation de biomolécules sous l'effet d'un changement de régime fluidique ; la détermination de l'anisotropie induite par un champ électrique sur un assemblage biomoléculaire d'épaisseur nanométrique ; et enfin l'orientation de filaments de billes magnétiques microniques sous l'effet d'un champ magnétique. Le second objectif de ce travail reposait sur l'étude et le développement de nouveaux substrats métalliques structurés latéralement. La perturbation locale du champ évanescent se propageant à la surface du métal a ainsi pu être mis en évidence par le biais d'échantillons micro- puis nano- structurés.

Les bactéries jouent un rôle majeur dans notre environnement. Leur omniprésence vient de leur remarquable capacité d'adaptation. Mieux comprendre cette adaptabilité peut permettre de mieux les combattre ou mieux les utiliser. La diversité des phénotypes au sein d'une population, c'est-à-dire les différents caractères observables, et les mécanismes de diversification sont les ingrédients de l'adaptabilité des bactéries. Pour étudier l'adaptation, nous avons suivi l'évolution temporelle de la diversité au sein de populations d'Escherichia Coli lors de changements environnementaux. Nous obtenons une image de la diversité grâce à un outil de phénotypage en millifluidique qui permet d'acquérir les courbes de croissances de mille bactéries en parallèle. À travers trois exemples nous montrons la pertinence de cette approche pour lire les phénotypes d'une population et nous explorons les rôles de la diversification et de la sélection darwinienne sur les dynamiques d'adaptation observées. La variation de phase du gène ag43 et l'exposition à une concentration non létale d'antibiotique illustrent une première phase de l'adaptation régie par la compétition entre les phénotypes dont les probabilités d'apparition sont les plus élevées. Enfin nous étudions pendant trente jours l'adaptation d'une population dans un environnement épuisé. Nous observons une convergence vers un phénotype à quinze jours. Ce déterminisme est commun aux trois exemples. En revanche, la suite de cette expérience est imprédictible : l'observation est différente pour chaque répétition. Une seconde phase d'adaptation se joue, elle est dominée par l'apparition rare de mutations bénéfiques.

Les étapes d'adhésion et de fusion entre l'ovocyte et le spermatozoïde sont des étapes cruciales dans le processus de fécondation. Cependant, de nombreuses questions sont posées aujourd'hui à propos des processus moléculaires qui sous-tendent la réussite de ces étapes. Ces dernières années, un nombre important de molécules clés ont été identifiées comme ayant un rôle majeur dans l'interaction gamétique. A ce jour, la seule protéine membranaire connue dont l'absence cause un échec total de la fécondation est la protéine spermatique Izumo1.<br> Izumo1 est une protéine transmembranaire, membre de la famille des protéines Izumo et de la superfamille des Immunoglobulines. Malgré son rôle clé dans l'interaction gamétique, ses propriétés fonctionnelles en tant que protéine d'adhésion, de fusion ou ayant la capacité d'organiser des réseaux comprenant des protéines de fusion n'est pas encore élucidé.<br> Dans cette étude nous nous sommes intéressés au rôle d'Izumo1 dans l'interaction gamétique.<br> Pour cela, nous avons généré deux variantes exogènes de la protéine Izumo1et les avons surexprimées à la membrane de plusieurs lignées cellulaires. L'interaction entre ces cellules exprimant la protéine et l'ovocyte a été analysée au moyen d'une technique de micromanipulation de cellules couplée à l'imagerie confocale. Nous avons ainsi mis en évidence une forte adhésion entre les cellules exprimant Izumo1 et les ovocytes et nous avons quantifié sa cinétique. Nous avons également généré le domaine extracellulaire recombinant afin de déterminer si Izumo1 seule était capable de se lier directement à l'ovocyte et comment. Nous avons sondé au moyen d'une technique fine de mesure de forces, le biomembrane force probe, l'interaction entre un Izumo1 unique et l'ovocyte. Ces expériences permettent de confirmer que c'est bien Izumo1 et non un partenaire qui est responsable de la forte adhésion entre cellules et ovocytes. Par observation en microscopie confocale d'un ovocyte interagissant avec des cellules surexprimant Izumo1-GFP, nous avons observé l'accumulation d'Izumo1-GFP dans la zone d'adhésion. Le fait que ce processus se reproduise lorsque plusieurs cellules adhèrent à l'ovocyte suggère qu'Izumo1 possède une molécule partenaire largement exprimée à la membrane de l'ovocyte avec laquelle il interagit pour créer de l'adhésion.

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UPF1 (Up-Frameshift 1) est une hélicase multifonctionnelle conservée chez tous les eucaryotes. Elle est essentielle à la voie de surveillance du NMD (Nonsense Mediated mRNA Decay), qui dégrade des ARNm portant un codon stop prématuré. UPF1 est l’archétype d’une famille d’hélicases qui partagent des corps similaires mais sont impliquées dans des voies cellulaires variées. Cependant, les relations structure-fonction et les caractéristiques biophysiques intrinsèques de ces moteurs moléculaires restent à ce jour peu connues. In vitro, le coeur hélicase d’UPF1 est hautement processif, il traverse des milliers de bases sur l’ARN ou l’ADN et déroule des doubles brins. Dans ce travail, nous avons cherché les facteurs clés régissant cette remarquable processivité en combinant des techniques de biochimie et de biophysique. En particulier, nous avons utilisé des pinces magnétiques pour étudier en temps réel des hélicases à l’échelle de la molécule unique. Contrairement à UPF1, l’hélicase IGHMBP2 de la famille UPF1-like n’est pas processive ; la processivité n’est donc pas un trait conservé au sein de la famille. Grâce à une étude fine de la structure 3D des deux hélicases, nous avons conçu divers mutants que nous avons utilisés pour identifier les éléments structuraux qui modulent la processivité. Notre approche révèle qu’UPF1 a une prise très ferme sur les acides nucléiques, garantissant de longs temps de résidence et d’action qui dictent sa haute processivité. Grâce à la variété de comportements des mutants, nous avons construit un modèle mécanistique expliquant le lien entre énergie d’interaction et processivité. Nous démontrons aussi que la processivité d’UPF1 est requise pour un processus de NMD efficace in vivo. Nous avons utilisé les mêmes outils biochimiques et biophysiques pour étudier une isoforme naturelle d’UPF1 humaine se déplaçant plus vite que l’isoforme majeure, et pour comparer la régulation d’UPF1 humaine et de levure par leurs domaines flanquants. Nous avons également caractérisé l'interaction d’UPF1 de levure avec de nouveaux partenaires. Nos travaux montrent comment la combinaison d'outils biochimiques, biophysiques, structuraux etin vivo offre des aperçus inattendus quant au mode de fonctionnement des moteurs moléculaires. / UPF1 (Up-Frameshift 1) is a multifunctional helicase that unwinds nucleic acids and is conserved throughout the eukaryote kingdom. UPF1 is required for the Nonsense Mediated mRNA Decay (NMD) surveillance pathway, which degrades mRNAs carrying premature termination codons, among other substrates. UPF1 is the archetype of a family of 11 helicases sharing similar cores but involved in various cellular pathways. However, the structure-function relationship and intrinsic biophysical properties of these molecular engines remain poorly described. In vitro, the UPF1 helicase core is highly processive, it travels along thousands of RNA or DNA bases and unwinds double-strands. In this work, we looked for key factors governing this remarkable processivity. We combined biochemical and biophysical techniques. In particular, we used magnetic tweezers to study helicases in real time at a single molecule scale. In contrast to UPF1, the related IGHMBP2 is not processive, thus processivity is not a shared family trait. Based on the 3D structures of both proteins, we designed various mutants and used them to identify structural elements that modulate processivity. Our approach reveals that UPF1 has a very firm grip on nucleic acids, guaranteeing long binding lifetimes and action times that dictate its high processivity. Thanks to the variety in mutant behaviors, we built a novel mechanistic model linking binding energy to processivity. Furthermore, we show that UPF1 processivity is required for an efficient NMD in vivo. In addition, we used the same biochemical and biophysical tools to investigate a natural human UPF1 isoform moving faster than the major isoform, and to compare the regulation of human andyeast UPF1 by their flanking domains. We also characterized the interaction of yeast UPF1 with new NMD partners. Our work shows how a combination of biochemical, biophysical, structural and in vivo tools can offer unexpected insights into the operating mode of molecular motors.