Chez l’organisme modèle Caulobacter crescentus, de nombreux régulateurs sont impliqués dans le contrôle du cycle cellulaire. Dans ce travail, nous présentons la découverte de l’interaction fonctionnelle entre GcrA et la N6-adenosine méthyltransférase CcrM. La combinaison d’expériences de biochimie, de biophysique, d’immuno-précipitation de la chromatine et de génétique nous a permis de révéler que GcrA est une protéine dimérique qui se fixe à l’ADN, et qui montre une affinité préférentielle, à la fois in vitro et in vivo, pour les promoteurs qui ont été méthylés. Nous avons montré que le complexe GcrA/promoteur recrute l’ARN polymérase. Comme ce processus est également observée avec les orthologues de GcrA présents chez d’autres Alphaproteobacteria, nous avons conclu que GcrA est le membre d’une nouvelle classe de régulateurs transcriptionnels. Enfin, nous avons découvert que GcrA interagit également avec une protéine récemment caractérisée et appelée GipX. Une protéine essentielle, qui pourrait jouer un rôle dans la régulation de l’activité de GcrA et dans la biosynthèse de la paroi bactérienne. Enfin, concernant l’étude du phospho-relai responsable de l’activation du principal régulateur CtrA, nous décrivons également la structure protéique de ChpT ainsi que le développement d’un biosenseur capable de détecter les niveaux de phosphorylation in vivo. Ce biosenseur utilise le FRET et est basé sur la capacité des régulateurs de réponses à se dimériser lorsqu’ils sont phosphorylés. Ces résultats ouvrent la possibilité d’utiliser cette méthode pour l’étude de la phosphorylation des régulateurs de réponse dans d’autres modèles bactériens. / In model organism Caulobacter crescentus many regulators are involved in the control of cell cycle progression. In this thesis we present the discovery of the interaction between the cell cycle regulator GcrA and the N6-adenosine methyltransferase. Using a combination of ChIP-Seq biochemical and biophysical experimentation and genetics we showed that GcrA is a dimeric DNA-binding protein that targets promoters with CcrM methylation sites. We showed that the complex GcrA/promoter recruits the RNA polymerase. Since methylation-dependent DNA-binding is also observed with GcrA orthologs from other Alphaproteobacteria, we conclude that GcrA is a member of a new class of transcriptional regulators that function as molecular effectors of a methylation-dependent epigenetic switch that regulates gene expression. We discovered that GcrA is also able to interact with a newly characterized protein, named GcrA Interacting Protein X (GipX), that has an essential role in Caulobacter and that may play a role in the regulation of GcrA activity and cell wall metabolism. Regarding the phosphorelay that drives to the activation of the master regulator CtrA, the structure of ChpT, the factor together with CckA responsible for CtrA phosphorylation, was solved. A biosensor able to detect the phosphorylation level of CtrA in vivo is also described in this thesis. This sensor based on FRET exploits the ability of response regulators to dimerize upon phosphorylation. These results open the possibility to use this method to study the phosphorylation of response regulators in other bacterial systems.

L’implication et les rôles de la PKA et de la MAPK/ERK lors de la division cellulaire, ont fait l’objet de nombreuses études. Pourtant les profils spatio-temporels des activités de ces kinases au cours des différentes étapes du cycle et notamment lors de la mitose sont controversés et restent à éclaircir. Le but de ce travail a été la détermination de ces profils grâce à l’utilisation et au développement d’outils moléculaires basés sur des propriétés de la fluorescence, capables de rapporter l’activité kinase in vivo, qui sont appelés biosenseurs FRET. Nous avons mis en évidence que l’activité de PKA augmente lors de la mitose pour ensuite chuter rapidement lors de la cytokinèse dans les cellules HeLa. Lors de la métaphase et de l’anaphase, l'activité de PKA est particulièrement élevée à proximité des chromosomes et ce, indépendamment d’une relocalisation de ses sous-unités catalytiques. De plus, l’utilisation d’inhibiteur de PKA conduit à l’apparition de phénotypes mitotiques aberrants, indiquant le rôle essentiel de cette augmentation d’activité dans le maintien de l’intégrité du génome. Ces phénotypes sont similaires à ceux décrits pour des perturbations de l’activité de MAPK/ERK. Le développement d’un biosenseur FRET optimisé pour les mesures d’activité de MAPK/ERK nous a permis de déterminer que son activité globale ne varie pas lors de la mitose mais connait en revanche une diminution forte et très brève lors de la cytokinèse. L’inhibition de PKA induit une augmentation sensible de la phosphorylation de MAPK/ERK, ce qui pourrait suggérer ainsi un lien entre les activités de ces deux protéines dans la répartition correcte du matériel génétique lors de la mitose. / Even if the roles and contribution of PKA and MAPK/ERK in cell cycle have been the topic of several studies, the spatio-temporal profiles of their activities are still controversial and remain to be clarified. The aim of my PhD was to highlight those activity profiles during the cell cycle in HeLa cells, by using or developing new molecular tools, based on fluorescence properties that are able to report kinase activity in vivo and named FRET-based biosensors.The use of these biosensors allowed us to reveal that PKA activity increased at the onset of mitosis and stayed high until the completion of cytokinesis. During metaphase and anaphase, this activity was especially high in the close vicinity of the condensed chromosomes, independently of any concomitant relocalization of PKA catalytic sub-units within the cell. Moreover inhibition of PKA activity during mitosis lead to improper mitotic phenotype (i.e. : misalignment of the DNA on the spindle, precocious segregation of part of the chromosomes), pointing out the essential role of the activity increase in genetic stability. Those observed phenotypes are similar to those described upon experimental modifications of the MAPK/Erk activity level. By means of the development of a new improved MAPK/Erk activity biosensor, we showed that its global activity does not change during mitosis, but goes through a brief and strong decrease during cytokinesis. As the inhibition of PKA induces a noticeable increase of MAPK/Erk phosphorylation, those results could suggest a link between those two kinases activities in the correct distribution of the DNA to daughter cells during mitosis.

RésuméLes biosenseurs sont fort utilisés dans beaucoup de domaines, notamment dans celui du diagnostic médical. Ils permettent de détecter, de quantifier et de caractériser des biomarqueurs souvent protéiques. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourrier (FTIR) est un transducteur optique particulièrement bien adapté, par exemple pour la détection des amyloses. Celles-ci sont des maladies (comme la maladie d’Alzheimer, le prion et la maladie de Parkinson) caractériséespar l’agrégation et l’accumulation de protéines qui changent de conformation. Dans ce contexte, l’étude des conformations, grâce à la spectroscopie FTIR qui distingue les structures secondaires des protéines investiguées, est importante pour suivre l’évolution de ces maladies.Notre projet a donc consisté à développer une nouvelle interface pour des biosenseurs par spectroscopie IR, basée sur une stratégie innovante :le greffage de calixarènes. En effet, la fonctionnalisation chimique du matériau de support reste toujours un des principaux défis pourle développement de biosenseurs, car la performance du dispositif en dépend directement. Nous avons choisi de développer le biosenseur sur du germanium, car cet élément est un matériau de support idéal pour l’analyse par spectroscopie FTIR. Voici en quelques lignes une traversée du chemin qui m’a permis de réaliser ce projet.A. Caractérisation des calixarènes greffés par spectroscopie IRLa fonctionnalisation de surfaces via le greffage covalent de calix[4]arènes sur divers supports a été réalisée dans notre laboratoire. Différentes techniques d’analyse ont été utilisées pour la caractérisation des surfaces modifiées (l’électrochimie, la spectroscopie photoélectriqueà rayons X, la microscopie à force atomique, l’éllipsométrie, la spectroscopie UV-VIS). L’adaptabilité de la spectroscopie infrarouge pour la caractérisation des calixarènes greffés est la première vérification réalisée dans le cadre de notre travail. En premier lieu, les spectresd’absorbance IR de nanoparticules d’or portant des calix[4]arènes ont été caractérisés. Ensuite, ces mêmes calix[4]arènes, et d’autres, ont été greffés sur des surfaces de germanium et leurs spectres d’absorbance IR ont été entièrement caractérisés.B. Inhibition des phénomènes d’adsorption non spécifiqueLe greffage de calix[4]arènes sur germanium a été validé par d’autres techniques d’analyse (l’électrochimie, les angles de contact, etc.). Afin d’utiliser cette stratégie innovante dans le cadre de la biodétection, elle doit remplir certains critères, dont l’inhibition des phénomènes d’adsorption non spécifique sur les surfaces. Une diminution de cette adsorption parasite a étéobtenue à plus de 85 % sur germanium.C. Conception du biosenseurUn certain nombre de propriétés validées (la stabilité, la nature et la répartition des groupes fonctionnels, etc.), la stratégie a ensuite montré son intérêt dans le domaine de la biodétection. Une preuve du concept a d’abord été réalisée sur des surfaces de germanium avec un coupled’affinité modèle :la biotine (élément de reconnaissance) et la streptavidine.En parallèle, cette même stratégie a été utilisée pour une reconnaissance du L-tyrosinamide par résonance plasmonique de surface ou par une microbalance à cristal quartz durant un stage de recherche à Grenoble. Pour les deux reconnaissances, l’immobilisation du récepteur a principalement été réalisée via un couplage de type peptidique. D’autres immobilisations ont été réalisées notamment la bioconjugaison d’un dérivé thiol sur une surface calix-maléimide.D. Détection de biomarqueurs liés à la maladie d’Alzheimer Pour valoriser au mieux cette recherche, le biosenseur développé a été utilisé avec succès dans une expérience directement liée à la maladie d’Alzheimer. / AbstractBiosensors are widely used in many fields, especially in that of medical diagnosis. They allow the detection, quantification and characterization of often protein biomarkers.Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) is an optical transducer particularly well suited, for example for the detection of amyloidosis. These are diseases (like Alzheimer's disease, prion and Parkinson's disease) characterized by the aggregation and accumulation of proteins that change their conformation. In this context, the study of conformations, thanks to the FTIR spectroscopy, which distinguishes the secondary structures of the proteins investigated, is important to follow the evolution of those diseases.Our project therefore consisted in developing a new interface for biosensors using the IR spectroscopy, based on an innovative strategy: the grafting of calixarenes. Indeed, the chemical functionalization of the support material still remains one of the main challenges for thedevelopment of biosensors, the performance of the device directly depending on it. We chose to develop the biosensor on germanium, because that element is an ideal support material for analysis by FTIR spectroscopy. Here is in a few lines a reminder of the path that allowed me tocarry out this project.A. Characterization of grafted calixarenes by IR spectroscopyThe functionalization of surfaces via the covalent grafting of calix[4]arenes on various supports was carried out in our laboratory. Different analytical techniques have been used for the characterization of the modified surfaces (electrochemistry, X-ray photoelectricspectroscopy, atomic force microscopy, ellipsometry, UV-VIS spectroscopy). The adaptability of infrared spectroscopy for the characterization of grafted calixarenes is the first verification carried out in our work. First, the IR absorbance spectra of gold nanoparticles bearingcalix[4]arenes were characterized. Then, those same calix[4]arenes, and others, were grafted onto germanium surfaces and their IR absorbance spectra were fully characterized.B. Inhibition of non-specific adsorption phenomenaThe grafting of calix[4]arenes on germanium has been validated by other analytical techniques (electrochemistry, contact angles, etc.). In order to use this innovative strategy for biodetection, it must meet certain criteria, including the inhibition of non-specific adsorptionphenomena on surfaces. A decrease in this spurious adsorption was obtained with more than 85% on germanium.C. Design of the biosensorOnce a certain number of properties (stability, nature and distribution of functional groups, etc.) had been validated, the strategy then showed its interest in the field of biodetection. A proof of concept was first performed on germanium surfaces with a model affinity couple:biotin (recognition element) and streptavidin. In parallel, this same strategy was used for a recognition of L-tyrosinamide by surfaceplasmon resonance or by a quartz crystal microbalance during a research internship in Grenoble. For both recognitions, immobilization of the receptor was mainly achieved via peptide-type coupling. Other immobilizations were carried out, in particular the bioconjugation of a thiolderivative on a calix-maleimide surface.D. Detection of biomarkers linked to Alzheimer's diseaseTo make the most of this research, the biosensor developed was used with success in an experiment directly linked to Alzheimer's disease. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Au cours de ma thèse, j'ai développé un procédé de fabrication spécifique capable de produire un biocapteur qui combine deux techniques de biodétection différentes, la réponse plasmonique basée sur la résonance de plasmon de surface localisée (LSPR) et la réponse électrochimique. Les méthodes et les résultats qui sont présentés dans ce manuscrit ont été définis pour converger vers un dispositif fluidique unique combinant ces deux approches de détection différentes. Afin de trouver la configuration permettant l'excitation des résonances plasmoniques, la géométrie des nanocavités MIM (métal/isolant/métal) en réseau de lignes interdigitées a été optimisée par des simulations électromagnétiques. La fabrication par nanoimpression douce assistée UV (SoftUV-NIL) a été optimisée et, finalement, la caractérisation optique de ces nanocavités a été comparée avec succès aux simulations théoriques. Parallèlement à la réalisation de ce dispositif nanostructuré, des dispositifs électrochimiques fluidiques plus simples qui intègrent des microélectrodes classiques ont également été développés. L'objectif était d'abord de développer une chimie innovante pour le couple « biotine/streptavidine » et de comprendre ensuite comment les paramètres fluidiques peuvent affecter l'efficacité de capture des biomolécules. Ce manuscrit se termine par une discussion sur le rôle des paramètres fluidiques concernant l’efficacité de la biodétection sur la base de la théorie de Squires. / During my thesis, I worked on the development of a specific fabrication process able to produce a device that combines two different biodetection techniques, plasmonic response based on Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) and electrochemical response. Methods and results that are presented in this manuscript were defined to converge towards a unique fluidic device combining these two different sensing approaches. This device integrates interdigitated array of MIM nanocavities. In order to find the easier working configuration allowing the excitation of plasmonic resonances, their geometry has been optimized through electromagnetic simulations. The fabrication of these dual devices has been optimized based on Soft-UV NIL and, finally, optical characterization of these nanocavities has been successfully compared with theoretical simulations. In parallel to this challenging goal, simpler fluidic electrochemical devices that integrate conventional microelectrodes have also been developed. The goal was first to develop an innovative chemistry for the couple biotin/streptavidin and secondly to learn how fluidic parameters can affect the capture efficiency of molecules. This manuscript ends with a discussion on the role of the fluidic parameters on the biodetection efficiency based on the theory of Squires.

La microscopie de fluorescence est devenue un outil incontournable en biologie. En particulier, il est possible de suivre dans le temps et dans l’espace en cellules vivantes l’activité de protéines en utilisant des biosenseurs FRET génétiquement encodés. Mon travail de thèse a consisté à développer de nouvelles méthodes de microscopie de fluorescence quantitative pour dépasser les limitations rencontrées dans le suivi de biosenseurs FRET. En premier lieu, j’ai eu à développer une méthodologie pour le suivi de deux biosenseurs FRET génétiquement encodés par mesure de durée de vie (FLIM) en simultané avec une seule longueur d’onde d’excitation. En effet, il n’est pas facile de suivre deux activités biochimiques par biosenseurs FRET dans un même échantillon vivant par microscopie de fluorescence à cause de l’existence de fuites spectrales dans les canaux de détection des différentes protéines fluorescentes et l’utilisation de deux longueurs d’onde d’excitation pour chacun des deux donneurs. En combinant les deux couples de protéines fluorescentes mTFP1/ShadowG et LSSmOrange/mKate2, les artefacts de fuite spectrale ont pu être négligés. Il a été possible de suivre les activités kinases des protéines ERK et PKA en simultané par FLIM. À l’aide de cette méthodologie, nous avons pu mettre en évidence une activation de la voie PKA lors d’une stimulation à l’EGF. En second lieu, j’ai développé une méthode pour le suivi de biosenseur FRET par la technique de spectroscopie à corrélation croisée de fluorescence (FCCS). Le suivi d’activité de certaines protéines peut s’avérer difficile du fait de leur faible expression au sein de l’échantillon vivant et de leur localisation. La méthode de FCCS nécessite une faible concentration de fluorophores et peut donc s’adapter à ces échantillons. Le FRET a un effet direct sur l’amplitude de corrélation croisée lorsque celle-ci est mesurée en suivant la co-diffusion de deux protéines fluorescentes attachées à un même biosenseur. Une diminution de ratio d’amplitude des courbes d’autocorrélation (verte ou rouge) sur l’amplitude de la courbe de corrélation croisée correspond à la présence de FRET. Nous avons pu mesurer cette diminution dans des cellules exprimant le biosenseur FRET Aurora A WT (FRET) en comparaison avec un mutant K162M (non FRET). Ces premiers résultats sont très prometteurs pour l’utilisation de cette approche au suivi d’un biosenseur faiblement exprimé en cellules vivantes. L’amélioration du suivi de biosenseur FRET, par les méthodes de microscopie de fluorescence quantitative présentées dans ce travail, doit pouvoir permettre la réponse à des questions d’intérêt biologiques nécessitant le suivi multiplex de FRET ou la mesure de biosenseurs à faible niveau d’expression, là où les techniques conventionnelles se heurtaient à leur limitation. / Fluorescence microscopy has become an invaluable tool in biology. In particular, it allows to follow in time and space the activity of proteins, using genetically encoded FRET biosensors, in live cell imaging. In my thesis work, I have developed new quantitative fluorescence microscopy methods to overcome the limitations encountered in monitoring FRET biosensors. First, I developed a methodology to monitor simultaneously two genetically encoded FRET biosensors by lifetime measures (FLIM) with a single excitation wavelength. Previously, it was not easy to follow two biochemical activities by FRET biosensors in the same live sample by fluorescence microscopy. Two reasons for that: the existence of spectral bleed through in the detection channel of each fluorescent proteins and the use of two excitation wavelengths for the two donors. By combining two fluorescent proteins pairs: mTFP1 / ShadowG and LSSmOrange / mKate2, the “spectral bleed through” artifact became negligible. It became then possible to follow the kinase activity of PKA and ERK proteins simultaneously by FLIM. Using this methodology, we were able to show an activation of the PKA pathway upon stimulation with EGF. Second, I developed a method to monitor FRET biosensor by fluorescence cross-correlation spectroscopy technique (FCCS). Monitoring the activity of certain proteins may be difficult due to their low expression in living sample and their sub-cellular localization. The FCCS methods requires a low concentration of fluorophores and can therefore be adapted to these samples. FRET has a direct effect on the cross-correlation amplitude when it is measured by following the co-diffusion of two fluorescent proteins attached to a same biosensor. An amplitude ratio decrease, of the autocorrelation curves (green or red) on the amplitude of the cross-correlation curve, corresponds to the presence of FRET. We were able to measure this ratio decreases in cells expressing the FRET biosensor Aurora A wild type (FRET) compared to the K162M mutant one (non-FRET). These first results are very promising to monitor the activity of a weakly expressed protein in living cells biosensor using this approach. The improvement of FRET biosensor monitoring, by quantitative fluorescence microscopy methods presented in this work, will help to answer biological questions of interest requiring the measurement of multiplex FRET monitoring or biosensors at low level expression, where conventional techniques are facing these limitations

Les Kinases cycline-dépendantes (CDK / cyclines) jouent un rôle majeur dans la régulation de la progression du cycle cellulaire et la prolifération des cellules cancéreuses, et constituent ainsi des cibles d'intérêt pour le développement de stratégies de diagnostic et thérapeutiques anticancéreuse. L'objectif de cette étude a consisté à développer une famille de biosenseurs fluorescents pour mesurer l'activité des CDK/ cycline in vitro, in cellulo et in vivo.Nous avons conçu et développé un biosenseur polypeptidique sensible à l'environnement comprenant une séquence substrat des CDKs, qui est marquée avec une sonde fluorescente sensible à l'environnement à proximité du site de phosphorylation, et un domaine de liaison phospho-amino acide, qui se lie à la séquence du substrat lorsqu'il est phosphorylé, ce qui modifie l'environnement de la sonde fluorescente et conduit par conséquent à l'augmentation de la fluorescence. Plusieurs variants de ce premier biosenseur CDKACT ont été développés. Les biosenseurs ont d'abord été caractérisés in vitro en utilisant plusieurs complexes CDK / cycline recombinants et avec des CDK / cyclines endogènes à partir d'extraits cellulaires, induisant des changements dynamiques de l'intensité de fluorescence, qui ont été mesurés en temps réel. Nous avons caractérisé la spécificité de ces biosenseurs pour les kinases CDK/ cycline par rapport à d'autres kinases (Plk1, Plk3, CIV, PKA, MAPK). En outre ces biosenseurs permettent de mesurer des différences dans l'activité des CDK/Cyclines entre différentes lignées cellulaires saines et cancéreuses. Enfin, nous avons mis en place les conditions pour internaliser ces biosenseurs dans des cellules vivantes grâce à des formulations de peptides pénétrants, afin de mesurer l'activité des CDK / cycline en temps réel. L'imagerie time-lapse et la quantification ratiométrique de fluorescence de la sonde sensible à l'environnement par rapport à une sonde fluorescente standard a permis de suivre l'activité des CDK/ cycline au cours du cycle cellulaire de cellules en division, des cellules ne se divisant pas et des cellules traitées avec des inhibiteurs des CDK / cycline. Les biosenseurs ont également été utilisé pour établir des conditions nécessaires à réaliser un criblage haut débit et des essais d'imagerie in vivo dans des modèles de souris comportant des xénogreffes. / Cyclin-dependent kinases (CDK/Cyclins) play central roles in regulation of cell cycle progression and proliferation of cancer cells, thereby constituting attractive targets for development of cancer diagnostics and therapeutics. The objective of this study consisted in developing a family of fluorescent biosensors to probe CDK/Cyclin activity in vitro, in cellulo and in vivo. To this aim, we designed and engineered an environmentally sensitive polypeptide sensor consisting of a CDK substrate sequence labelled with an environmentally-sensitive dye proximal to the phosphorylation site, and a phospho-amino acid binding domain, which binds the substrate sequence when it is phosphorylated, thereby altering the environment of the fluorescent probe and consequently leading to fluorescence enhancement. Several variants of this first CDKACT biosensor were further engineered. The biosensors were first characterized in vitro using several recombinant CDK/Cyclin complexes and endogenous CDK/Cyclins from cell extracts, inducing dynamic changes in fluorescence intensity, which were measured in real-time. We further characterized the specificity of these biosensors for CDK/Cyclin kinases as opposed to other kinases (Plk1, Plk3, CIV, PKA, MAPK). We further applied CDK biosensors to measure CDK/Cyclin kinase activity between different healthy and cancer cell lines. Finally, we established conditions to deliver the biosensors into living cells thanks to cell-penetrating peptide formulations, to monitor CDK/Cyclin activity in real time. Time-lapse imaging and ratiometric quantification of fluorescence of the environmentally sensitive probe over that of a fluorescent standard allowed to monitor CDK/Cyclin activity throughout the cell cycle of dividing cells, non-dividing cells and cells treated with CDK/Cyclin inhibitors. The biosensors were further applied to establish conditions for a high throughput screen and an in vivo imaging assay using xenografted mouse models.

La qualité de l'eau est une préoccupation majeure pour la santé publique et la préservation de l'environnement. Nous proposons d’utiliser les phages comme des biosenseurs pour détecter les pathogènes humains ou animaux présents dans les eaux de surface, un outil nommé Phagosensor.La mise au point d’un phagosensor prototype a permis d’optimiser la détection des bactéries par cytométrie en flux. Les résultats montrent que cet outil est extrêmement rapide, sensible, et très spécifique. L’outil phagosensor permet de détecter des bactéries cibles présentes dans un environnement complexe tel que l’eau de mer.Le prototype fonctionnel a servi de base à la construction de phagosensors spécifiques de bactéries pathogènes. Les résultats montrent que la stratégie développée à partir du prototype peut être rapidement transposée à la détection de pathogènes tel que Salmonella. Le séquençage de novo et l’annotation des génomes de trois phages isolés de l’environnement permettront la construction de nouveaux phagosensors spécifiques de souches d’E. coli pathogènes.Cette stratégie a été adaptée à la détection d’un signal luminescent post-infection en utilisant les phages recombinants portant l’opéron luxCDABE. Les bactéries infectées sont rapidement détectables.L’ensemble de ces résultats démontre que la stratégie développée est applicable à la construction de phagosensor sur demande pour une détection rapide, sensible et spécifique des bactéries d’intérêt que ce soit en fluorescence ou en luminescence. La détection dans l’eau de mer suggère, qu’à terme, des outils pourront être conçus pour la détection de bactéries pathogènes dans d’autres matrices telles que le sang ou les aliments. / Water quality is a major concern for public health and natural environment preservation. We propose to use phages to develop biosensor tools able to detect human and animal pathogens present in water. The construction of a phagosensor prototype using an optimized genetic engineering strategy, infection and detection conditions, allowed the specific detection of bacteria. The results show that detection is fast, specific and highly sensitive. Moreover, the phagosensor tool detects target bacteria in a complex environment such as seawater. Phagosensors specific of pathogenic bacteria were constructed following the strategy developed for the prototype. Results show that the strategy we designed can be successfully transposed to detect pathogens such as Salmonella. De novo sequencing and genomes annotation of three phages isolated from the environment were carried out to develop phagosensors that are specific of pathogenic E. coli. This technology was then adapted to detect a luminescent signal arising post-infection using genetically modified phages carrying the entire luxCDABE operon. The bacteria infected with the lux recombinant phages were rapidly detected by luminescence emission. Together, these results demonstrate that our technology can be applied to construct various phagosensors adapted to the detection of different bacterial species of interest and using at least two output signals. These tools allow a rapid, specific and highly sensitive detection that are close to the European guideline. Efficient bacterial detection in seawater suggests that phagosensors could be developed to detect pathogenic bacteria in other matrices such as blood or food.

Semiconductor surfaces coupled to molecular structures derived from organic chemistry form the basis of an emerging class of field-effect devices. In addition to molecular electronics research, these interfaces are developed for a variety of sensor applications in the electronic and optical domains. Of practical interest are self-assembled monolayers (SAMs) comprised of n-alkanethiols [HS(CH[subscript 2])[subscript n]R], which couple to the GaAs(001) surface through S-GaAs covalent bond formation. These SAMs offer potential functionality in terms of the requisite sensor chemistry and the passivation effect such coupling is known to afford. In this thesis, the SAM-GaAs interface is investigated in the context of a photonic biosensor based on photoluminescence (PL) variation. The scope of the work is categorized into three parts: i) the structural and compositional analysis of the surface using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ii) the investigation of electronic properties at the interface under equilibrium conditions using infrared (IR) spectroscopy, the Kelvin probe method, and XPS, and iii) the analysis of the electro-optic response under steady-state photonic excitation, specifically, the surface photovoltage (SPV) and PL intensity. Using a partial overlayer model of angle-resolved XPS spectra in which the component assignments are shown to be quantitatively valid, the coverage fraction of methyl-terminated SAMs is shown to exceed 90%. Notable among the findings are a low-oxide, Ga-rich surface with elemental As present in sub-monolayer quantities consistent with theoretical surface morphologies. Modal analysis of transmission IR spectra show that the SAM molecular order is sufficient to support a Beer-Lambert determination of the IR optical constants, which yields the observation of a SAM-specific absorbance enhancement. By correlation of the IR absorbance with the SAM dipole layer potential, the enhancement mechanism is attributed to the vibrational moments added by the electronic polarizability in the static field of the SAM. Lastly, the surface Fermi level position is determined by XPS and is used to interpret SPV results in terms of a thiol-induced reduction of the surface cross-section for minority carrier-capture. Numerical analysis confirms this result based on the carrier transport theory of PL intensity by means of a reduction of the surface recombination velocity.

Les protéines kinases A (PKA) sont des enzymes qui catalysent la phosphorylation de résidus sérine ou thréonine. L’activité des PKA peut être mesurée in cellulo grâce aux biosenseurs AKAR (A-Kinase Activity Reporter). AKAR est composé de 4 modules: la séquence substrat des PKA, un domaine de liaison aux acides aminés, et 2 protéines fluorescentes pouvant interagir par FRET (Förster Resonant Energy Transfer). La phosphorylation de la séquence consensus par la PKA et l’interaction de l’acide aminé phosphorylé avec le module senseur provoque une modification de la conformation d’AKAR et une augmentation du FRET entre les 2 protéines fluorescentes.L’objectif initial de ce travail était de produire un biosenseur AKAR basé sur un nouveau couple de protéines fluorescentes plus performantes, et insensibles au pH. Ce biosenseur devant à terme être utilisable en imagerie ratiométrique, et en FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy). Ainsi nous avons mis au point une nouvelle version d’AKAR: AqAKARCit. Cette version exploite la protéine Aquamarine, l'une des meilleures protéines cyan disponibles aujourd'hui, avec un rendement quantique de 89%, un déclin de fluorescence mono-exponentiel, et une insensibilité au pH dans tout le domaine physiologique. Les résultats obtenus en FLIM avec cet AqAKARCit ont permis des améliorations notables en stabilité et sensibilité.Une version baptisée AqAKARTagRFP a été construite, dans laquelle l’accepteur est une protéine fluorescente orange permettant une meilleure séparation spectrale entre donneur et accepteur et insensible aux variations de pH. Les étapes de caractérisations de AqAKARTagRFP ont été accomplies en FLIM, et en ratiométrie. AqAKARTagRFP permet d'obtenir de bonnes réponses en FRET par ratiométrie, mais reste difficilement utilisable en FLIM en raison d'une dynamique de réponse limitée. La sensibilité du biosenseur a été améliorée par une modification de l'ancrage de l'Aquamarine. Les modifications apportées à cette version nommée AqEAKARTagRFP la place au niveau des biosenseurs AKAR les plus performants actuellement disponibles.Les mesures de sensibilité au pH d’ AqEAKARTagRFP réalisées en FLIM ont révélé une insensibilité au pH du biosenseur sur une étendue de pH jamais atteinte jusqu’à présent. Cependant, en ratiométrie, on note malgré tout une sensibilité détectable aux pHs fortement acides (pH ≤ 6), ce qui ne permettra pas de l'utiliser pour l'imagerie ratiométrique de compartiments cellulaires acides. Un contrôle négatif non phosphorylable AqEAKARmutTagRFP a été étudié. Ce contrôle présente les mêmes variations de signal en réponse à des changements imposés de pH intracellulaire, révélant que ces variations sont indépendantes de l’activité PKA.L'étude de tandems CFP-Cit et Aq-Cit dépourvus de la partie senseur nous à permis d'analyser le comportement de FRET des couples cyan/jaune en fonction du pH. Un modèle décrivant ce comportement a été créé et appliqué à AKAR.Les expériences complémentaires faites sur CFPAKARCit sont en accord avec nos simulations mais la construction AqAKARCit révèle du FRET résiduel à pH acide que notre modèle numérique ne prévoit pas. Une sensibilité aux pH acides de la partie senseur d’AKAR qui provoquerait un changement de conformation du biosenseur et une augmentation de FRET pourrait expliquer ce phénomène.Ce travail de thèse a permis la mise au point d’un nouveau couple de protéines fluorescentes par le FRET insensibles au pH. Ce couple va permettre une meilleure caractérisation des sensibilités des biosenseurs existants comme nous l’avons montré avec AKAR. Ce couple de protéines fluorescentes pourra également être utilisé dans des compartiments cellulaires acides, par exemple pour étudier des interactions protéine/protéine. Enfin, grâce à une meilleure séparation spectrale en excitation et en émission, ce couple peut être utilisé dans des applications plus exigeantes comme la microscopie biphotonique. / Protein kinase A (PKA) are enzymes which catalyze the phosphorylation of serine or threonine residues. The activity of PKA can be measured in cellulo through AKAR biosensors (A-Kinase Activity Reporter). AKAR consists of 4 modules: the PKA substrate sequence, a phospho-amino binding domain, and two fluorescent proteins that can interact by FRET (Förster Resonant Energy Transfer). After action of the PKA, the interaction between the phophorylated amino acid and the phospho-amino binding domain causes a change in the conformation of AKAR and an increase in FRET between the two fluorescent proteins.The initial objective of this work was to produce an AKAR biosensor based on a new pair of improved fluorescent proteins, and insensitive to pH. This biosensor to eventually be used in ratiometric imaging and FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy). So we developed a new version of AKAR: AqAKARCit. This version uses the Aquamarine protein, one of the best cyan proteins available today, with a quantum yield of 89%, a near mono-exponential fluorescence decay, and insensitive to pH throughout the physiological range. The results obtained with this AqAKARCit allowed significant improvements in stability and sensitivity.A version called AqAKARTagRFP was built, in which the acceptor is an orange fluorescent protein allowing better spectral separation between donor and acceptor and insensitive to pH variations. The characterization of AqAKARTagRFP was performed in FLIM, and ratiometry. AqAKARTagRFP provides good answers in FRET by ratiometry but remains difficult to use in FLIM due to limited dynamic responses. The sensitivity of the biosensor has been improved by modification of the anchoring of Aquamarine. Changes to this version named AqEAKARTagRFP place it at the most efficient AKAR biosensors currently available.The pH-responsive measures of AqEAKARTagRFP made in FLIM showed insensitivity to pH on a range never reached so far. However, in ratiometry, there is still a detectable sensitivity to highly acidic pHs (pH ≤ 6), which will not allow to use it for ratiometric imaging of cellular acidic compartments. A negative unphosphorylatable control AqEAKARmutTagRFP was studied. This control presents the same signal variations in response to changes imposed on intracellular pH, revealing that these variations are independent of PKA activity.The study of the CFP-Cit and Aq-Cit tandems devoid of the sensor part allowed us to analyze the behavior of cyan / yellow FRET pairs regarding the pH. A model describing this behavior was created and applied to AKAR. Additional experiments on CFPAKARCit are in agreement with our simulations but AqAKARCit reveals residual FRET at acidic pHs that our numerical model does not predict. A sensitivity to acidic pH of the sensor module of AKAR which would cause a conformational change in the biosensor and an increase in FRET could explain this phenomenon.This thesis has allowed the development of a new pair of fluorescent proteins for FRET imaging insensitive to pH. This couple will allow better characterization of existing biosensors sensibilities as we have shown with AKAR. This pair of fluorescent proteins may also be used in acidic cellular compartments, for example to study protein / protein interactions. Finally, through improved spectral separation in excitation and in emission, this pair can be used in more demanding applications such as biphoton microscopy.

La biologie des réactions redox est particulièrement difficile à étudier de par la compartimentation spatiale mais aussi cinétique des différents systèmes redox cellulaires. Les biosenseurs codés génétiquement, incluant la «redox-sensitive Yellow Fluorescent Protein» (rxYFP) sont une manière de contourner les limitations des méthodes conventionnelles de mesure du couple glutathion/glutathion disulfure (GSH/GSSG). Cette étude présente l’utilisation des biosenseurs rxYFP pour analyser les états redox dans des différents compartiments cellulaires, et leur dynamique en réponse au stress dans les cellules humaines. La rxYFP exprimée soit dans le cytosol, le noyau ou la matrice mitochondriale de cellules HeLa s’est révélée sensible aux changements de l’état redox intracellulaire provoqué par des traitements aussi bien réducteurs qu’oxydants. La rxYFP est capable de détecter des différences de l’état redox, entre les compartiments, mais aussi entre différentes lignées cellulaires. Les senseurs exprimés dans des kératinocytes humain de l’épiderme HEK001 ont réagi au stress induit par les UVA, de façon dose-dépendante, mais pas au stress induit par les UVB. De plus, ces senseurs ont pu détecter les changements redox induits par des faibles doses (30 µM) ainsi que par des doses modérées (100 µM) de peroxyde d’hydrogène (H2O2), de façon dynamique et spécifique des compartiments cellulaires. La rxYFP exprimé dans la matrice mitochondriale a montré une vitesse d’oxydation plus élevée que les senseurs rxYFP exprimés dans le cytosol ou le noyau, ce qui est attribuable à un pH local plus basique. De plus, la déplétion en GSH provoquée par un traitement au buthionine sulphoximine (BSO) a affecté spécifiquement le potentiel redox mitochondrial mais pas cytosolique ni nucléaire. Ces observations soutiennent l’idée que l’état redox du GSH mitochondrial est maintenu et régulé de façon indépendante par rapport à celui du cytosol ou du noyau. Nous avons également montré que dans les cellules humaines, les sondes rxYFP réagissent de façon prédominante avec le GSH/GSSG, puisque la déplétion en GSH ralentit la vitesse d’oxydation de la rxYFP en réponse à un traitement par H2O2. De plus, grâce à l’utilisation des sondes rxYFP et à l’analyse de l’état redox des antioxydants cellulaires, nous démontrons que l’oxydation des thiols se produit après l’activation des caspases au cours de l’apoptose induite par TRAIL. L’ensemble de nos données montrent la robustesse des senseurs rxYFP pour la mesure des changements d’état redox dans les cellules humaines. En complément d’autres senseurs redox ainsi que des méthodes conventionnelles de mesure des états redox, les senseurs rxYFP ciblés aux différents compartiments cellulaires sont un nouvel outil pour étudier l’homéostasie redox dans les cellules de mammifères, et permettent l’étude de l’état redox du glutathion et de la dynamique des changements redox avec une grande précision. / The kinetic and spatial separation of redox systems renders redox biology studies a particularly challenging field. Genetically encoded biosensors including the glutathione-specific redox-sensitive yellow fluorescent protein (rxYFP) may provide an alternative way to overcome the limitations of conventional glutathione/glutathione disulfide (GSH/GSSG) redox measurements. This study describes the use of rxYFP sensors for investigating compartment-specific steady redox states and their dynamics in response to stress in human cells. RxYFP expressed either in the cytosol, nucleus or mitochondrial matrix of HeLa cells was responsive to the intracellular redox state changes induced by reducing as well as oxidizing agents. Compartment-targeted rxYFP sensors were able to detect different steady state redox conditions between the cytosol, nucleus and mitochondrial matrix as well as between the cell lines. These sensors expressed in human epidermal keratinocytes HEK001 responded to stress induced by UVA radiation in a dose-dependent manner but not to UVB radiation. Furthermore, rxYFP sensors were able to sense dynamic and compartment-specific redox changes caused by low dose (30 µM) and moderate dose (100 M) hydrogen peroxide (H2O2). Mitochondrial matrix-targeted rxYFP displayed a greater dynamics of oxidation in response to a H2O2 challenge than the cytosol- and nucleus-targeted sensors, largely due to a more alkaline local pH environment. Similarly, the depletion of glutathione induced by buthionine sulphoximine (BSO) affected selectively mitochondrial redox potential without inducing changes in cytosol and nucleus. Furthermore, using rxYFP probes and cellular antioxidants redox state analysis, we show that oxidation of thiols occurs after activation of caspases during TRAIL-induced apoptosis. These observations support the view that mitochondrial glutathione redox state is maintained and regulated independently from that of the cytosol and nucleus. We also showed that in human cells the rxYFP probes react predominantly with glutathione since the glutathione depletion slows down the dynamics of rxYFP oxidation in response to H2O2. Taken together, our data show the robustness of the rxYFP sensors to measure compartmental redox changes in human cells. Complementary to existing redox sensors and conventional redox measurements, compartment-targeted rxYFP sensors provide a novel tool for examining mammalian cell redox homeostasis, permitting high resolution readout of steady glutathione state and dynamics of redox changes.