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La motilité cellulaire est fondamentale dans de nombreux processus physiologiques, qu’ils soient normaux ou pathologiques. Cependant, bien que ces derniers impliquent la plupart du temps de nombreuses cellules se mouvant en même temps, les effets des interactions entre cellules sur leur dynamique, à la fois individuelle et collective, restent assez mal connu. Dans cette thèse, j’ai utilisé Dictyostelium discoideum à l’état végétatif pour étudier cette régulation collective de la motilité. Je me suis principalement appuyé sur une analyse minutieuse de nombreuses trajectoires cellulaires dans des situations variées pour (i) caractériser un facteur sécrété qui régule négativement la motilité cellulaire (nature chimique, voie de signalisation, dynamique de sécrétion et de réponse) et (ii) analyser et modéliser quantitativement la dynamique d’étalement de colonie cellulaires de forme, dimension et densité contrôlées. Je décris enfin un phénomène d’agrégation dynamique observé lorsque les cellules sont placées à haute densité dans un milieu nutritif / Cell motility is fundamental in many physiological, either normal or pathological, phenomena. Yet, although these most often involve several cells moving at the same time, how the interactions between cells affect both individual and collective dynamics remains a poorly understood question. In this thesis, I used vegetative Dictyostelium discoideum cells as a model to study this collective regulation of the motility. I relied mainly on the thorough analysis of numerous cell trajectories in various situations to (i) characterise a secreted factor used to down-regulate the cells’ motility (biochemical nature, response pathway, secretion and response dynamics) and (ii) quantitatively analyse and model the dynamics of spreading cell colonies of controlled initial shape, size and density. Last, I describe a dynamic aggregation phenomenon that occurs when the cells are seeded at high density in a nutrient-rich medium

Dans cette thèse, nous avons développé des outils pour simuler des imageslongitudinales réalistes de cerveau présentant de l’atrophie ou de lacroissance. Cette méthode a été spécifiquement élaborée pour simuler leseffets de la maladie d’Alzheimer sur le cerveau. Elle se fonde sur un modèle dedéformation du cerveau qui décrit les effets biomécaniques d’une perte detissue due à une carte d’atrophie prescrite. Nous avons élaboré une méthodepour interpoler et extrapoler les images longitudinales d’un patient en simulantdes images avec une carte d’atrophie spécifique au sujet. Cette méthode a étéutilisée pour interpoler des acquisitions temporelles d’Images par RésonnanceMagnétique (IRM) de 46 patients souffrant de la maladie d’Alzheimer. Pour cefaire, des cartes d’atrophie sont estimées pour chaque patient, d’après deuxacquisitions IRM temporelles distinctes. Les IRM cliniques présentent du bruitet des artefacts. De plus, les acquisitions longitudinales présentent desvariations d’intensité d’une image à l’autre. Nous avons donc élaboré uneméthode qui combine le modèle de déformation du cerveau, ainsi que lesdifférentes images cliniques disponibles d’un patient donné, afin de simuler lesvariations d’intensité des acquisitions longitudinale. Pour finir, les outils desimulation d’images réalistes développés au cours de cette thèse sont mis àdisposition en open-source. / This thesis develops a framework to simulate realistic longitudinal brainimages with atrophy (and potentially growth), particularly in the case ofAlzheimer's Disease (AD). The core component of the framework is a braindeformation model: a carefully designed biomechanics-based tissue loss modelto simulate the deformations having the prescribed atrophy. The thesispresents a method to interpolate or extrapolate longitudinal images of asubject by simulating images with subject-specific atrophy patterns. Themethod was used to simulate interpolated time-point Magnetic ResonanceImages (MRIs) of 46 AD patients by prescribing atrophy estimated for eachpatient from the available two time-point MRIs. Real MRIs have noise andimage acquisition artefacts, and real longitudinal images have variation ofintensity characteristics among the individual images. In this thesis, wepresent a method that uses our brain deformation model and different availableimages of a subject to add realistic variations of intensities in the syntheticlongitudinal images. Finally, the software developed during the thesis tosimulate realistic longitudinal brain images with our brain deformation modelis released open-source.

Ces dernières années ont vu le développement de techniques expérimentales permettant l'analyse quantitative de systèmes biologiques, dans des domaines qui vont de la neurobiologie à la biologie moléculaire. Notre travail a pour but la description quantitative de tels systèmes à travers des outils théoriques et numériques issus de la physique statistique et du calcul des probabilités. Cette thèse s'articule en trois volets, ayant chacun pour but l'étude d'un système biophysique. Premièrement, on se concentre sur l'infotaxie, un algorithme de recherche olfactive basé sur une approche de théorie de l'information proposé par Vergassola et collaborateurs en 2007: on en donne une formulation continue et on en caractérise les performances. Dans une deuxième partie on étudie les expériences de micromanipulation à molécule unique, notamment celles de dégraffage mécanique de l'ADN, dont les traces expérimentales sont sensibles à la séquence de l'ADN: on développe un modèle détaillé de la dynamique de ce type d'expérience et ensuite on propose plusieurs algorithmes d'inférence ayant pour objectif de caractériser la séquence génétique. Finalement, on donne une description d'un algorithme qui permet l'inférence des interactions entre neurones à partir d'enregistrements à électrodes multiples et on propose un logiciel intégré qui permettra à la communauté des biologistes d'interpréter ces expériences a partir de cet algorithme.

Modélisation du coût thermodynamique des structures pseudoneuds.<br />Développement d'un algorithme d'accélération exacte de la dynamique de monte Carlo.<br />Développement et interfaçage web d'un code de repliement de molécule ARN incluant les motifs pseudoneuds. Rendu cinématique de la dynamique de repliement.<br />Etude statistique de la prévalence des pseudoneouds dans des séquences biologiques et aléatoires.<br />Vérification expérimentale du code repliement. Démonstration expérimentale de l'existence d'un super-code guidant pour le repliement natif des ARN.

Les toxines Cry sont des protéines synthétisées sous forme de cristaux par la bactérie bacille de Thuringe pendant la sporulation. Elles sont largement utilisées comme agents de lutte biologique, car elles sont toxiques envers plusieurs espèces d’invertébrées, y compris les nématodes. Les toxines Cry5B sont actives contre certaines espèces de nématodes parasites, y compris Ankylostoma ceylanicum un parasite qui infeste le système gastro-intestinal des humains. Jusqu’au présent, le mode d’action des toxines Cry nématicides reste grandement inconnu, sauf que leurs récepteurs spécifiques sont des glycolipides et qu’elles causent des dommages importants aux cellules intestinales. Dans cette étude, on démontre pour la première fois que la toxine nématicide Cry5Ba, membre de la famille des toxines à trois domaines et produite par la bactérie bacille de Thuringe, forme des pores dans les bicouches lipidiques planes en absence de récepteurs. Les pores formés par cette toxine sont de sélectivité cationique, à pH acide ou alcalin. Les conductances des pores formés sous conditions symétriques de 150 mM de KCl varient entre 17 et 330 pS, à pH 6.0 et 9.0. Les niveaux des conductances les plus fréquemment observés diffèrent les uns des autres par environ 17 à 18 pS, ce qui est compatible avec l’existence d’arrangement d’un nombre différent de pores élémentaires similaires, activés de façon synchronisée, ou avec la présence d’oligomères de tailles variables et de différents diamètres de pores. / Cry toxins are proteins synthetized as crystal inclusions by the Bacillus thuringiensis bacterium upon sporulation. They are used widely as biological control agents, as they exhibit toxicity to a range of invertebrates, including nematodes. The Cry5B toxins are active against a number of parasitic nematode species, such as Ancylostoma ceylanicum a human gastro-intestinal parasite. So far, the mode of action of nematicidal Cry toxins is largely unknown, except for the facts that their specific receptors are glycolipids and that they cause prominent damage to nematode intestinal cells. In this study, we show for the first time that the nematicidal Cry5Ba toxin, a member of the three domain family of toxins produced by the Bacillus thuringiensis forms pores in receptor-free planar lipid bilayers. The pores formed by the toxin were cation selective, both under acid and alkaline pH conditions. Under symmetrical 150 mM KCl conditions, pore activity was characterized by conductances ranging from 17 to 330 pS, at both pH 6.0 and 9.0. The most frequently observed conductance levels differed from each other by approximately 17 to 18 pS consistent with the existence of clusters of different number of elementary, similar, co-operatively gated pores, or with the presence of variable size oligomers with different pore diameters.

Dans un contexte de changement climatique global et d'évolution locale de l'usage des terres, le devenir des paysages culturels des Alpes françaises, façonnés au cours des siècles par les interactions mutuelles entre sociétés et environnement, apparaît incertain. Dans le même temps, les écosystèmes qui les constituent abritent une biodiversité riche et sont à l'origine de nombreuses ressources naturelles et fonctions écologiques dont bénéficient les populations humaines. Ces ressources et fonctions sont conceptualisées sous le terme de « services écosystémiques » et font aujourd'hui l'objet d'une attention accrue dans la gestion et la protection des ressources environnementales, au même titre que la biodiversité. L'identification des facteurs liés à leur maintien, en termes écologiques, socio-culturels et politiques, est une étape nécessaire à leur gestion durable, bien qu'encore insuffisamment explorée. Mon projet de thèse visait à accroître la compréhension des interactions positives (synergies) et négatives (antagonismes) entre services écosystémiques et biodiversité via une approche multidimensionnelle du socio-écosystème des Alpes françaises. - Le Chapitre I propose une approche biophysique quantitative et spatialisée de la multifonctionnalité des écosystèmes. Suite à une étape de modélisation, les patrons spatiaux de synergie et d'antagonisme entre services et biodiversité ont été explorés statistiquement et reliés à des enjeux de gouvernance actuels à différentes échelles. Ce travail a permis d'identifier les bouquets de services écosystémiques représentatifs des différentes conditions biogéographiques, de gestion et de d'hétérogénéité du paysage représentées dans le massif. - Cette approche est complétée dans le Chapitre II par une représentation qualitative des relations d'influence entre services écosystémiques et biodiversité, ainsi que de leurs liens avec d'autres variables écologiques et sociales. Nous avons considéré explicitement les dimensions multiples englobées par le concept de service écosystémique (leurs ‘facettes') et proposons un cadre conceptuel pour en cartographier les réseaux d'influence. Ce cadre a servi de base à l'analyse d'un processus consultatif que nous avons mené auprès d'acteurs du territoire. Les analyses ont mis en lumière leur perception globale des relations d'influence importantes au sein du socio-écosystème. - Afin de mieux comprendre les régulations sociales appliquées à la gestion environnementale, nous testons dans le Chapitre III une méthodologie d'analyse de l'efficacité environnementale d'instruments de gouvernance. Notre analyse a privilégié un nombre restreint d'instruments qui encadrent actuellement les interactions entre agriculture, tourisme et biodiversité. L'utilisation d'un ensemble d'indicateurs de performance et d'adéquation avec le cadre socio-culturel et de gouvernance a souligné l'articulation complexe des instruments entre eux et a abouti à la production d'une synthèse pour les décideurs (‘policy brief'). - Le Chapitre IV explore enfin certains enjeux conceptuels et éthiques de la recherche dans le domaine des services écosystémiques. Après une réflexion générale sur les relations entre science et société, je propose une évaluation réflexive et personnelle des projets de recherche auxquels j'ai contribué. Pour conclure, je propose une vision transversale du socio-écosystème alpin mettant en lumière les enjeux majeurs identifiés par les différentes analyses. / In the context of global climate change and local land use changes, the future of the French Alps cultural landscapes, shaped through long-lasting and mutual interactions between human and their environment, appears uncertain. Simultaneously, the ecosystems constituting alpine landscapes host a rich biodiversity and provide the many natural resources and ecological functions that benefit to human societies. These resources and functions are conceptualised as “ecosystem services” and currently attract an increasing attention for the management and the conservation of environmental resources, along with biodiversity. Identifying the variables linked to their maintenance, in ecological, socio-cultural and political terms, is a necessary step of their sustainable management, and yet is still under-explored. My PhD project aimed at increasing the understanding of positive (synergies) and negative (trade-offs) interactions among ecosystem services and biodiversity through a multi-dimensional approach of the French Alps social-ecological system. - In Chapter I, I present a quantitative and spatially explicit biophysical assessment of ecosystem multifunctionality. After a modelling step, we explored spatial patterns of trade-offs and synergies among ecosystem services and biodiversity using a series of statistical analyses of increasing complexity. Results were structured to provide insights for sound environmental governance at multiple scales. We identified various bundles of ecosystem services representative of the different conditions across the French Alps massif in terms of biogeography, management and landscape heterogeneity. - This approach is complemented in Chapter II by a qualitative representation of influence relationships among ecosystem services and biodiversity that also accounts for additional ecological and social variables. We explicitly considered the multiple dimensions encompassed by the ecosystem service concept (their ‘facets') and proposed an innovative conceptual framework to represent their influence networks. This framework was applied to analyse a consultative process that we carried out with stakeholders of regional expertise. This analysis highlighted their general perception of important influence relationships in the alpine social ecological system. - In order to better understand social regulations linked to environmental governance, we test in Chapter III a methodology for assessing the environmental effectiveness of policy instruments. We concentrated on a restricted set of instruments regulating the interactions between biodiversity, agriculture and outdoor tourism. The consideration of multiple indicators assessing the performance and the fit with the socio-cultural and governance setting highlighted the complex articulation of instruments within the broader policy mix. Results were synthesised in a policy brief targeting regional decision-makers. - Chapter IV is conceived as my personal exploration of the conceptual and ethical issues linked to research on ecosystem services. Following some general thinking on the relations between environmental sciences and society, I conducted a personal reflexive assessment of the research projects I contributed to. To conclude, I propose a synthetic vision of the alpine social-ecological system and discuss the major issues revealed throughout the analyses.

Depuis son invention en 1986, les microscopes à force atomique (AFM) ont été des puissants outils pour la caractérisation des matériaux et des propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique. Cette thèse est entièrement dédiée à la mesure de l'interaction entre une sonde AFM et une surface avec une nouvelle technique AFM appelée Force Feedback Microscopy (FFM). La technique a été développée et utilisée pour l'étude d'échantillons biologiques. Le principe central de la technologie FFM est que la force totale moyenne appliquée à la pointe est égal à zéro. En conséquence, en présence d'une interaction pointe-échantillon, une force égale et contraire doit être appliquée à la pointe par une boucle de rétroaction. La force de réaction est ici appliquée à la pointe à travers le déplacement d'un petit élément piézoélectrique positionné à la base du levier AFM. La boucle de rétroaction permet d'éviter instabilités mécaniques tels que le saut au contact, permettant la mesure complète de la courbe d'interaction. En plus, il donne la possibilité de mesurer simultanément les parties élastique et inélastique de l'interaction. La technique a été appliquée à l'étude des interactions à l'interface solide/gaz, avec un intérêt particulier pour l'observation de la formation et de la rupture des ponts capillaires entre pointe et échantillon. Ensuite, on a focalisé notre attention aux interfaces solide/liquide. Dans ce contexte, courbes complètes de type DLVO sont caractérisées d'un point de vue élastique et dissipatif. Nous avons développé des nouveaux modes d'imagerie AFM pour l'étude des biomolécules. Images de phospholipides et de l'ADN à force constante ont été réalisées et certaines propriétés mécaniques comme le module de Young des échantillons ont été évaluées. En plus, nous avons réalisé une étude spectroscopique de l'élasticité et du coeffcient d'amortissement de l'interaction entre des cellules vivantes de type PC12 et une pointe AFM en nitrure de silicium. L'étude montre que le FFM est un instrument capable de mesurer l'interaction à des fréquences qui ne sont pas nécessairement liées aux résonances caractéristiques du levier. L'étude spectroscopique pourrait avoir dans le futur des applications importantes pour l'étude des biomolécules et des polymères.

A l'heure où la médecine tend vers une généralisation des méthodes prédictives, les biocapteurs occupent le devant de la scène. Se basant sur des méthodes de détection et de transduction variées, différents types de biocapteurs sont développés dans le but d'observer des interactions biomoléculaires. Les domaines d'application sont vastes : détections de polluants ou d'OGM, amélioration de la spécificité d'un médicament (traitement anti-cancéreux) ou encore diagnostic génétique fiable. C'est autour de la problématique de la détection de la maladie génétique de la mucoviscidose que s'architecture mes travaux de recherche. Le biocapteur que nous avons utilisé se base sur un système optique utilisant l'imagerie SPR couplée à une biopuce à ADN. Les molécules sondes sont des simples brins d'ADN de synthèse dont la séquence a été calculée afin de pouvoir détecter dans les simples brins cibles issus de l'ADN de patient les modifications génétiques du gène de la CFTR responsable de la maladie. Ces biopuces sont constituées d'une couche métallique fonctionnalisée par une chimie de surface reposant sur la liaison thiol/or et se terminant par une couche de Streptavidin. Les sondes sont biotinylées et un micro-arrayer les dispose sous forme de matrice sur la surface. Grâce à l'implémentation d'un module de contrôle de température et de différentes études sur le TM des interactions ADN-ADN et grâce à une méthode de correction des données, nous avons réussi à établir le diagnostic génétique d'une SNP sans ambiguïté en moins d'une dizaine de minutes. Les dernières études de ce manuscrit ouvrent la porte à la cartographie expérimentale des structures secondaires des simples brins cibles.

Pour certaines problématiques biomédicales, notamment en neurobiologie, l'imagerie des échantillons exige des résolutions spatiale et temporelle élevées, et seules des techniques de microscopie optique innovantes vont permettre d'imager la cellule dans des conditions physiologiques. Pour répondre à ces contraintes nous avons développé en intégralité un dispositif de microscopie de fluorescence en réflexion totale interne et résolue en temps. En effet, l'imagerie de fluorescence résolue en temps (FLIM) permet, en complément des informations de localisation et de topologie apportées par la microscopie conventionnelle, une analyse dynamique de processus moléculaires et métaboliques au sein des cellules. Associée à la technique de microscopie en réflexion totale interne, qui confère au système d'imagerie une résolution axiale sub-longueur d'onde tout en acquérant des images en champ large, la technique FLIM permet d'analyser l'activité membranaire des cellules en s'affranchissant de la fluorescence des autres entités de la cellule.<br />Ce travail s'est articulé autour de trois axes principaux : l'étude et le développement d'un dispositif d'excitation de la fluorescence basé sur un oscillateur laser solide picoseconde dont le spectre est élargi par effets non linéaires dans des fibres optiques microstructurées ; le développement et la caractérisation d'un dispositif de microscopie de fluorescence par onde évanescente (TIRF) couplé à une détection résolue en temps en plein champ ; et l'application de ce dispositif à l'étude d'un précurseur membranaire du peptide amyloïde impliqué dans la maladie d'Alzheimer.