L'objectif principal de ce projet de thèse était d'obtenir de nouvelles données structurales sur les transporteurs ADP/ATP mitochondriaux et de développer des outils pour les approches de micro- et nano-cristallographie appliquées à la biologie structurale des protéines membranaires.Le rôle principal du transporteur ADP/ATP (AAC) est d'importer et d'exporter respectivement de l’ADP3- et l’ATP4- à travers la membrane mitochondriale interne, entre l'espace intermembranaire et la matrice. AAC est le transporteur mitochondrial le mieux caractérisé de toute cette famille de protéines. De nombreuses études ont été menées pour caractériser sa fonction et sa structure. Toutefois, les données structurales n’étant disponibles que pour une conformation de la protéine, de nombreuses questions fondamentales notamment sur les différents états conformationnels adoptés par la protéine au cours du processus de transport restent encore posées. Dans cette thèse, nous avons étudié les 4 isoformes humaines d’AAC. Elles sont impliquées dans diverses maladies génétiques, mais jouent également un rôle dans la cancérogenèse. Cette thèse décrit ainsi en détail la caractérisation structurale et fonctionnelle de ces protéines et leur comparaison. C’est est une étape essentielle pour définir leurs propriétés, et constitue un point de départ précieux dans le développement de nouvelles thérapies.Le domaine de la biologie structurale ne cesse de connaître de nouveaux développements, comme c’est le cas par exemple avec l’avènement de la cristallographie sérielle. Il y a donc un besoin constant de nouvelles approches notamment pour la préparation des échantillons, leur montage sur les lignes de lumière et les collectes de données afin de continuer à améliorer la qualité des données collectées au synchrotron. Ainsi, notre objectif était d'utiliser différents échantillons de protéines membranaires pour développer de nouvelles techniques de cristallisation et de montage d’échantillons sur les lignes de lumière afin de préserver au mieux la qualité des échantillons tout en permettant des collectes de données plus rapides, plus efficaces et plus simples. / The main objective of this PhD project was to gain new structural data on the mitochondrial ADP/ATP carriers and develop tools for micro- and nano-crystallography approaches applied to membrane protein structural biology.The main role of the ADP/ATP carrier (AAC) is to import and export ADP3- and ATP4- respectively between the intermembrane space and the matrix through the inner mitochondrial membrane. AAC is the best characterized among all mitochondrial carriers. Much has been done to investigate its function and structure. However, since structural data are only available for one conformation of the protein some fundamental questions about the different conformational states adopted during the transport process still need to be answered.In this thesis we considered 4 human AAC homologs as a main target. They are involved in different genetic diseases but play also a role in cancerogenesis. This thesis describes and compares in detail the functional and structural characterization of the human AAC isoforms. It was an essential step to give insight into their native properties and is a precious starting point for the drug development field.Since the structural biology field is rapidly developing especially in serial crystallography techniques, there are more and more new applications for samples preparation, mounting and measurements in order to improve the quality of the data collected at the synchrotrons. Hence, our second objective was to use different membrane protein samples to develop new crystal-friendly crystallization set up combined with different sample environment on the beamline toward faster, more efficient and simpler data collection.

Virtuellement tous les habitats terrestres sont dominés par les angiospermes, ou plantes à fleurs. Leur capacité à coloniser de nouveaux habitats et supplanter une autre espèce est due à l'avènement d'une nouvelle structure reproductrice – la fleur. La fleur uni les organes mâles et femelles dans une structure compacte et contient la graine. Les plantes à fleurs ne sont pas seulement le type dominant des plantes terrestres, mais sont également la principale source de nourriture et l'habitat de tous les animaux, y compris les humains. En termes d'évolution, les fleurs sont considérées comme un développement récent. Elles ont fait l'objet de spéculations depuis l'époque de Charles Darwin qui à nommé l’évolution dominante et la diversification des plantes à fleurs comme «un abominable mystère» en raison de l'absence d'une transition en douceur de la non-floraison vers la floraison des plantes dans le registre fossile. Avec le séquençage de plusieurs génomes de gymnospermes (semences de plantes non-florales), d’angiospermes basals et de plantes à fleurs supérieures, certaines familles de gènes jouant un rôle central dans le développement et l'évolution de la fleur ont été identifiées. Notre recherche se concentre sur une de ces familles de régulateurs de niveau supérieur appelée « famille de facteur de transcription MADS » (TF). Cette famille de TF permet d'orchestrer le développement des fleurs. Nous nous sommes intéressés à la compréhension des mécanismes moléculaires de la famille des MADS et à la façon dont ces protéines sont capables de contrôler les fonctions de reproduction complexes.Ce projet intègre différentes techniques biophysiques comme la cristallographie aux rayons X, la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et la microscopie à force atomique (AFM) afin d’étudier les interactions protéine-protéine et protéine-ADN des FT MADS. Aucune étude n’a, à ce jour, porté sur les mécanismes moléculaires des FT MADS en utilisant cette approche structurale intégrée.Un obstacle important dans l'étude des FT MADS a été l’expression des protéines recombinantes et leur purification. Dans ce projet, les protocoles de purification de plusieurs recombinants FT MADS entières ont été établis, permettant la caractérisation structurale et biochimique des protéines dans leurs intégralités. La structure aux rayons X du domaine d'oligomérisation de la protéine de la famille MADS, SEPALLATA3 (SEP3) est présenté et utilisé comme modèle pour comprendre les motifs d'oligomérisation de la famille élargie et les bases moléculaires des interactions protéine-protéine. Des solutions de structures9provenant d'études SAXS de AGAMOUS (AG) et de la phase végétative courte (SVP) sont présentées et complétés par la caractérisation biochimique de leur état d'oligomérisation.Afin d'étudier les interactions protéine-ADN, des procédés complémentaires ont été utilisés. Une propriété importante des FT MADS est leur capacité à modifier la structure de l'ADN grâce à la formation de boucles d'ADN. De manière hypothétique, les FT MADS oligomérisent et fixent l'ADN sur deux sites différents, bouclant potentiellement l'ADN. En utilisant l'AFM, la première preuve directe de la formation de boucle d'ADN par SEP3 est obtenue. Les caractéristiques de liaison d'ADN de SVP ont été étudiées par analyse de décalage de mobilité électrophorétique (EMSA), par thermophorèseà échelle microscopique (MST) et par AFM. Contrairement au cas de SEP3, l’EMSA et l’AFM ont montrés que SVP est un dimère et présente différents modes de liaison à l'ADN.Ces données fournissent une base atomique et structurale de la fonction des FT MADS. Sur la base de ce travail, nous commençons à comprendre l’oligomérisation et certaines spécificités déterminantes de liaison à l'ADN. Ces études montrent comment les FT MADS s’oligomérisent. / Virtually all terrestrial habitats are dominated by angiosperms, or flowering plants. Their success in colonizing new habitats and supplanting other species is due to the advent of a complex reproductive structure – the flower. The flower unites the male and female organs into one compact structure and encloses the seed. Flowering plants are not only the dominant type of land plants, but also are the primary source of food and habitat for all animals, including humans. In evolutionary terms, flowers are considered a recent development and have been a subject of speculation from the time of Charles Darwin who termed the dominant rise and diversification of flowering plants as “an abominable mystery”* due to the lack of a smooth transition from non-flowering to flowering plants in the fossil record. With the sequencing of multiple genomes from gymnosperms (non-flowering seed plants), basal angiosperms and higher flowering plants, certain gene families have been identified which play a central role in the development and evolution of the flower. My research focuses on one such family of high-level regulators, the MADS transcription factor (TF) family. This TF family helps to orchestrate flower development among other functions. As such, there is great interest in understanding the molecular mechanisms of the MADS family and how these proteins are able to control complex reproductive pathways.This project integrates different biophysical techniques including x-ray crystallography, small angle x-ray scattering (SAXS) and atomic force microscopy (AFM) to investigate protein-protein and protein-DNA interactions of MADS TFs. No studies to date have investigated the molecular mechanisms of MADS TFs using this integrated structural approach.One important hurdle in the study of the MADS TFs has been recombinant protein expression and purification. In this project, recombinant purification protocols for several full length MADS TFs were established, allowing the structural and biochemical characterisation of the proteins. The crystal structure of the oligomerisation domain of the MADS family protein SEPALLATA3 (SEP3) is presented and used as a template for understanding the oligomerisation patterns of the larger family and the molecular basis for protein-protein interactions. Investigation of solution structures, derived from SAXS studies, of AGAMOUS (AG) and SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP) along with biochemical characterisation of their oligomerisation states are also presented.In order to study protein-DNA interactions, complementary methods were used. An important putative property of the MADS TFs is their ability to change the structure of DNA through the formation of DNA loops. MADS TFs are hypothesized to oligomerise and bind DNA at two different sites, potentiating looping of DNA. Using AFM, the first direct evidence of DNA looping by SEP3 is described. The DNA binding characteristics of SVP were studied using electrophoretic mobility shift assay (EMSA), microscale thermophoresis (MST) and AFM. Unlike SEP3, SVP is dimeric and thus exhibits different DNA-binding patterns.The data presented here provide an atomic and structural basis for MADS TF function. Based on this work, we now are beginning to understand some of the oligomerisation and DNA-binding specificity determinants. These studies demonstrate how the MADS TFs oligomerise and the results show that we can disrupt oligomerisation and potentially DNA-binding very specifically through the introduction of point mutations. Future work will investigate the in vivo consequences of altered oligomerisation and how this affects different developmental programs in plant reproduction and floral organ morphogenesis.*Letter from Charles Darwin to Joseph Dalton Hooker, written 22 July 1879 (Source: Cambridge University Library DAR 95: 485 – 488) (Friedman, 2009b).

Les ribosomes sont des complexes ribo-nucléoprotéiques qui lisent l'ARNm pour synthétiser les protéines. Il a été démontré que les inhibiteurs de la synthèse des protéines eucaryotes ont un potentiel thérapeutique important pour traiter un large éventail de cancers humains. Récemment, nous avons publié une étude multidisciplinaire dans laquelle nous démêlons le mécanisme d'action du chlorolissoclimide (CL), un composé qui partage la similarité chimique avec le cycloheximide (CHX), mais qui présente une cytotoxicité inférieure prometteuse. Nous nous sommes intéressés aux nouveaux types d'interactions de CL avec le ribosome et nous avons donc résolu une nouvelle structure cristalline du complexe S.cerevisiae 80S en complexe avec un autre composé de lissoclimide à une résolution de 3.1 Å. Le couplage de structures à haute résolution avec la conception de médicaments axée sur le calcul et l'analyse FRET guidera davantage la conception d'inhibiteurs plus sélectifs et moins cytotoxiques. / Ribosomes are ribo-nucleoprotein complexes that read mRNA to synthesize proteins. This is important to consider in the case of cancer cells, which show a global increase in protein synthesis to support their hyper-proliferative behaviour. Inhibitors of eukaryotic protein synthesis have been shown to have significant therapeutic potential to treat a wide range of human cancers. Recently we published a multidisciplinary study in which we unravel the mechanism of action of chlorolissoclimide (CL), a compound sharing chemical similarity to cycloheximide (CHX), but showing promising lower cytotoxicity. We were interested in the new types of interaction of CL with the ribosome and therefore we solved a new crystal structure of the S.cerevisiae 80S in complex with another lissoclimide compound at 3.1 Å resolution. The coupling of high-resolution structures with computationally-driven drug design and FRET analysis will further guide the design of more selective and less cytotoxic inhibitors.

Cette thèse est composée de deux parties : Le première partie rend compte de l'étude structurale de la protéine RrgA. RrgA est associée au pilus du pathogène Streptococcus pneumoniae et participe aux premières étapes de colonisation chez l'hôte en se liant à plusieurs composés de la Matrice Extra Cellulaire. Nous avons résolu la structure de cette protéine à 1.9 Å par cristallographie aux rayons-X. RrgA possède une structure allongée formée de quatre domaines alignés d'origine eucaryote et procaryote. En effet, trois domaines ayant des similarités structurales avec les IgG et le domaine Cna-B semblent servir de piédestal pour orienter et présenter le domaine fonctionnel de type Intégrine. Nous avons confirmé la formation de deux ponts isopeptidiques stabilisateurs par spectrométrie de masse. De plus, le domaine intégrine possède deux insertions particulières dont la présence pourrait être impliquée dans la reconnaissance des divers substrats par RrgA. La deuxième partie de cette thèse est axée sur l'étude structurale du complexe ATPase et de ExsB, la pilotine présumée du système de sécrétion de type III chez Pseudomonas aeruginosa, bactérie opportuniste et jouant un rôle majeur dans l'infection des patients atteints de mucoviscidose. Pour la première fois, nous avons mis au point un protocole d'expression et de purification sous forme soluble de l'ATPase PscN en complexe avec une protéine partenaire, PscL. Des cristaux de ce complexe ont été obtenus au robot du PSB. Par ailleurs, nous avons confirmé l'expression de la lipoprotéine ExsB chez P. aeruginosa que nous avons localisée au sein de la membrane externe. De plus, nous avons résolu la structure de cette protéine qui présente un nouveau repliement et qui établie les bases structurales pour l'étude des pilotines pour tous les systèmes de sécrétion de type III de la famille Ysc. / This manuscript is made up of two parts The first part describes the structural study of RrgA from Streptococcus pneumoniae. This protein is a pilus-associated adhesin that is able to bind to several components of the Extra Cellular Matrix and thus, participates in the first steps of host colonization. We solved the structure of RrgA to 1.9 Å by X-Ray crystallography. We showed that RrgA folds into an elongated 4-domain structure, and these domains display both eukaryotic and prokaryotic origins. Actually, three out of the four domains are reminiscent of IgG and Cna-B structures and act like stalks to orient and display the large Integrin-like domain. We confirmed the presence of two isopeptide bonds by mass spectrometry and hypothesised that the two inserted arms in the integrin domain could explain the wide variety of substrates RrgA can bind. The second part of this manuscript focuses on the structural studies of the ATPase complex as well as ExsB, the putative pilotin of the type III secretion system from Pseudomonas aeruginosa. This bacterium is a major threat in hospital-acquired infections and the main pathogen found in cystic-fibrosis suffering patients. For the first time we were able to express and purify the ATPase PscN in complex with its partner PscL. Crystallization trials led to a very promising condition that is being refined. Moreover, we confirmed expression of the lipoprotein ExsB in P. aeruginosa that we localised in the outer membrane. To have a better understanding of this protein, we also solved its high-resolution structure that displays a novel fold and our study paves the way for coming studies concerning pilotins.

Chaque cellule vivante sur notre Terre est entourée d'une membrane lipidique. Les protéines résidant dans la membrane exécutent multitude de fonctions essentielles pour la survivance de la cellule. Parmi eux sont le transport actif et passif dans et hors de la cellule, la signalisation et la catalyse des réactions.Une des plus grandes familles de protéines membranaires sont rhodopsins microbiennes, qui utilisent l'énergie de la lumière pour leur fonction. Les membres de cette famille comptent parmi eux les pompes de protons, cations et anions, entraînée par l'illumination, les canaux ioniques activés par l'illumination et, finalement, photorécepteurs. Bien que les aspects fondamentaux de leur fonctionnement ont été connus depuis un certain temps, il ya une abondance de questions sans réponse. Dans cette thèse, plusieurs structures de rhodopsines microbiennes (y compris la première structure de protéorhodopsine et la première structure de la pompe à sodium) sont présentés et analysés. Les structures ouvrent la voie pour comprendre les similitudes et les différences entre les différents rhodopsines microbiennes et pour exploiter cette connaissance pour créer de meilleurs instruments à base de rhodopsines microbiennes pour des applications biologiques, par exemple, dans le domaine de optogenetics.Alors que la première partie de ce travail porte sur les nouvelles structures de rhodopsines microbiennes, la deuxième partie présente l'approche de simulation pour comprendre la signalisation en fonction des rhodopsines sensorielles dans phototaxie. Les domaines HAMP des protéines transductrices des signals des rhodopsines sensorielles sont étudiés au moyen de la dynamique moléculaire, et il est démontré que les simulations peuvent être utilisés pour la construction et la validation des structures atomiques des domaines de signalisation, ainsi que pour la compréhension des changements conformationnels associée à signalisation, initié par les transformations des rhodopsine sensorielles.La troisième et la dernière partie décrit le travail sur la protéine IPCT-DIPPS de Archaeoglobus fulgidus, une enzyme catalysant deux étapes consécutives de di-inositol-phosphate biosynthèse. La structure résolue peut servir de modèle pour comprendre le mécanisme catalytique de transférases CDP-alcool, une grande famille de protéines comptant des milliers de membres, parmi lesquels sont cinq protéines humaines, qui catalysent les étapes majeures de la biosynthèse des lipides. La structure a également été utilisé pour prédire les sites de liaison des ligands sur le site actif de l'enzyme et pour proposer le mécanisme d'action catalytique.Pour résumer, cette thèse présente les études structurales de diverses protéines membranaires par la cristallographie aux rayons X et la modélisation qui font progresser notre compréhension des aspects fondamentaux et pratiques de fonctionnement des protéines membranaires. / Every living cell on Earth is surrounded by a lipid membrane. Proteins residing in the membrane perform a variety of functions crucial for the cell's survival. Among them are active and passive transport in and out of the cell, signaling and reaction catalysis.One of the largest membrane protein families are microbial rhodopsins, which utilize light energy for their function. Members of this family count among them light-driven proton, cation and anion pumps, light-gated ion channels and photoreceptors. While the basic aspects of their functioning have been known for some time, there is a plenty of unanswered questions. In this dissertation, several structures of microbial rhodopsins (among them the first proteorhodopsin structure and the first light-driven sodium pump structure) are presented and analyzed. The structures open the way for understanding the similarities and differences between the various microbial rhodopsins and for exploiting this understanding to create better microbial rhodopsin-based instruments for biological applications, for example, in the field of optogenetics.While the first part of this work deals with the novel structures of microbial rhodopsins, the second part presents the simulation approach for understanding the sensory rhodopsin-based signaling in phototaxis. The HAMP domains of the sensory rhodopsin transducer protein are studied by means of molecular dynamics, and it is demonstrated that the simulations may be used for building and validating the atomic structures of signaling domains, as well as for understanding the signaling-associated conformational changes, initiated by light-driven sensory rhodopsin transformations.The third and the last part describes the work on the Archaeoglobus fulgidus IPCT-DIPPS proteins, an enzyme catalyzing two consecutive steps of di-inositol-phosphate biosynthesis. The determined structure may serve as a model for understanding the catalytic mechanism of CDP-alcohol transferases, a large family of proteins counting thousands of members, among which are five human proteins that catalyze the major steps of lipid biosynthesis. The structure was also used to predict the binding sites of the ligands at the enzyme active site and to propose the mechanism of catalytic action.To sum up, this dissertation presents the structural studies of various membrane proteins by means of X-ray crystallography and modeling that advance our understanding of fundamental and practical aspects of membrane protein functioning.

Le virus influenza de type A est un virus à ARN simple brin de polarité négative qui se réplique dans le noyau des cellules infectées. Son génome se compose de huit segments d'ARN viral (ARNv). Chaque segment est recouvert de multiples copies de nucléoprotéines virales (NP). Chacune des extrémités strictement conservées 3' et 5' des huit segments d'ARNv interagit avec une ARN-polymérase ARN-dépendante. Le complexe entre l'ARNv, NP et l'ARN-polymérase ARN-dépendante forme une particule appelée ribonucléoprotéine (RNP) constituant l'entité fonctionnelle pour la réplication du génome viral et sa transcription en ARN messagers. Dans le contexte de la RNP, ces deux processus sont assurés par l'ARN-polymérase ARN-dépendante formée de trois protéines (PA, PB1 et PB2). L'ARN-polymérase du virus influenza A fait l'objet de nombreuses études. Son étude structurale se heurte à la difficulté d'obtenir ce complexe hétérotrimérique sous forme soluble et en grande quantité, deux conditions qu'impose la biologie structurale. Ainsi, durant les huit dernières années, les données structurales à l'échelle atomique n'ont été obtenues que sur des domaines isolés de l'ARN-polymérase laissant l'essentiel de la structure de PB1 inconnue. Pour contourner ce problème, une nouvelle stratégie s'appuyant sur le système d'expression en cellules d'insecte infectées par baculovirus a été développée. Cette stratégie a permis la production d'une forme tronquée de l'ARN-polymérase du virus influenza de type A qui a été étudiée d'un point de vue structural et fonctionnel. Plusieurs reconstructions en trois dimensions ont été obtenues par microscopie électronique et une structure cristalline à faible résolution (7,7 Å) a pu être résolue. Les études fonctionnelles se sont axées sur les activités portées par l'hétérotrimère tronqué et un accent particulier a été mis sur l'étude des interactions avec l'ARN. Les informations sur les activités catalytiques obtenues in vitro ont mis en évidence un rôle clef de certains ions métalliques. Afin de connaitre l'environnement en ions métalliques et cibler leur rôle à l'échelle cellulaire, leur distribution dans la cellule infectée par le virus influenza A a été étudiée par microscopie rayons-X. Cet aspect de l'infection étant très peu documenté, cette étude s'inscrit dans une démarche originale et a offert l'opportunité d'intégrer les données biochimiques et biophysiques à l'échelle de la cellule entière. / Influenza A virus is a negative single stranded RNA virus that replicates in the nucleus of infected cells. Its genome contains eight single stranded negative-sense RNA segments (vRNA) covered by the viral nucleoprotein (NP). The highly conserved 3' and 5' ends of the vRNA are bound to the RNA-dependent RNA-polymerase (RdRp) which consists of three subunits, PA, PB1 and PB2. The complex between vRNA, NP and the RdRp forms a particle called ribonucleoprotein (RNP). The RNP acts as an independent molecular machine for transcription and replication in the nucleus. Within the context of the RNP, these two processes are mediated by the RdRp. The influenza A RdRp complex has been remarkably intractable to structural analysis and in the last eight years, crystal structures of independent domains covering roughly half of the heterotrimeric RdRp have been determined. In addition, electron microscopy reconstructions have described the RdRp. Nonetheless, a complete model characterizing the RdRp as a whole is still lacking. To overcome this issue, a new strategy has been developed to obtain the RdRp heterotrimeric complex using the baculovirus infected cells expression system. This method has produced a truncated form of the flu A RdRp which has been studied from a structural and functional point of view. Several three-dimensional reconstructions by electron microscopy have been obtained and a crystal structure at low resolution (7,7 Å) has been solved. Functional studies focused on the activities carried by the truncated RdRp and a particular emphasis was placed on the study of the interactions with RNA. In vitro functional data showed highly metal ion-dependent activities. To know more about the subcellular metal context, metallic ions distribution in influenza A infected cells has been studied by X-ray microscopy giving the opportunity to integrate biochemical and biophysical data in the context of the whole cell.

Chez Cupriavidus metallidurans CH34, le complexe CnrYXH contribue à réguler l'expression des gènes de régulation et de résistance au cobalt et au nickel en fonction de la concentration environnementale de ces cations. La fixation de cobalt ou de nickel sur le domaine périplasmique senseur de CnrX induit des modifications conformationnelles à l'origine de la transduction du signal transmembranaire. Cela conduit à rendre le facteur sigma CnrH disponible pour sa liaison à l'ARN polymérase (ARNP) dans le cytoplasme. Le complexe CnrH:ARNP se fixe alors spécifiquement sur les promoteurs des gènes cnrY et cnrC pour initier la transcription des gènes de régulation (cnrYXH) et de résistance (cnrCBAT). Dans le but de déterminer la nature de ce signal, mon projet de thèse visait à cartographier les interactions protéine:protéine au sein du complexe CnrYXH dans les trois compartiments concernés : le périplasme, la membrane plasmique et le cytoplasme. La documentation des déterminants d'interaction entre CnrX, CnrY et CnrH a permis d'élaborer un modèle structural et fonctionnel pour le complexe CnrYXH et ses homologues soulevant des hypothèses nouvelles sur le fonctionnement du système Cnr. / The CnrYXH complex contributes to regulate the expression of the regulatory genes and resistance genes involved in cobalt and nickel resistance in Cupriavidus metallidurans CH34. The binding of nickel or cobalt to CnrX in the periplasm induces conformational modifications that could trigger transmembrane signal transduction. As a result, CnrH is made available in cytoplasm for binding to RNA polymerase. The CnrH:RNA polymerase complex binds specifically the cnr promoters and initiates transcription of both the regulatory genes (cnrYXH) and resistance genes (cnrCBAT). In order to delineate the mechanism of signal transduction through the membrane, I studied the interactions between the three partners in the different cellular compartments: periplasm, plasmic membrane and cytoplasm. The identification of the interaction determinants between CnrX, CnrY and CnrH allowed us to propose a structural and functional model for the CnrYXH complex and its homologues. This model brings up new hypothesis on the function of Cnr system.

Une nouvelle méthode pour la cristallisation des protéines membranaires (MP) de bicouches amphiphiles interconnectés (IAB) a été récemment mise au point. Dans cette approche protéines cristallisées directement des membranes et il est supposé que la cristallisation est conduite principalement par les propriétés de la mésophase lipidique dans son ensemble, mais pas par des caractéristiques individuelles des détergents. Le détergent joue un rôle de modulateur de ces propriétés. L'application de ce procédé de cristallisation de la vaste gamme des protéines membranaires est très prometteuse car il facilite considérablement la cristallisation. Cependant, il faut effectuer un certain nombre d'expériences pour chaque nouvelle protéine membranaire afin de déterminer les paramètres optimaux de la mésophase lipidique pour la protéine. Pour ce faire avec des quantités limitées de protéines membranaires, en particulier des protéines humaines, qui sont généralement très difficiles à produire en quantité suffisante, l'application des systèmes robotisés de cristallisation à haut débit pour la nano volume cristallisation pourrait être la seule solution. L'objectif principal de ce travail est le transfert de l'approche actuelle pour la cristallisation des protéines membranaires de l'IAB sur les volumes nano. Pour ce faire une grande variété d'expériences cristallisations a été effectuée pour différentes protéines membranaires. Les faits, qui influent des résultats de cristallisation, ainsi que des informations structurelles obtenues ont été analysées avec soin. Il a été démontré que les gros cristaux de protéines membranaires différents adaptés pour cristallographie aux rayons X peuvent être reproductible obtenu par nano volume cristallisation. Le premier chapitre «Introduction» comprend une description générale des protéines membranaires, des approches différentes pour la cristallisation des protéines membranaires, leurs avantages et leurs limites. La vue d'ensemble des protéines membranaires, qui sont étudiés dans ce travail, les informations disponibles et les problèmes non résolus sont présentés. Le deuxième chapitre présente les matériaux et les méthodes utilisées dans l'étude. Le troisième chapitre «Résultats et discussions» est décrit les résultats obtenus et leur interprétation. Pour commencer, la nano volume cristallisation de l'IAB de la bactériorhodopsine et la comparaison avec l'approche présent de cristallisation est présenté. Nano volume cristallisations en présence d'amphiphiles fluorés et les poloxamères ont été effectuées pour la première fois et décrit en détails. L'application de l'approche du nano volume cristallisation du complexe de la rhodopsine sensorielle II de Natronomonas pharaonis avec son transducteur apparenté et les protéines du complexe avec une mutation importante dans le transducteur, ce qui élimine l'action des protéines, est présenté. Résultats de nano volume cristallisation pour un autre complexe de deux protéines membranaires - triple mutant de la bactériorhodopsine, qui fonctionne comme un transducteur de signal, avec transducteur de Natronomonas pharaonis sont décrits. Halorhopsin de Natronomonas pharaonis a également été cristallisé par la nouvelle approche et de cristallisation résultats sont présentés. La première structure de protéine membranaire - enzyme cytidine-5'-triphosphate: inositol-1-phosphate cytidylyltransférase / di-myo-inositol-1 ,3-phosphate-1-phosphate synthéase de hyperthermophiles Archaeoglobus fulgidus a été résolu en utilisant des cristaux obtenus par nano volume cristallisation. Détails de la structure, l'importance et le mécanisme proposé de l'action enzymatique sont discutées. Les conclusions finales ainsi que les perspectives de la méthodique développées sont donnés dans le dernier chapitre de la thèse. / A new method for crystallization of membrane proteins (MPs) from interconnected amphiphilic bilayers (IAB) was recently developed. In this approach proteins crystallized directly from the membranes and it is postulated that crystallization is driving mostly by the properties of the lipidic mesophase as a whole but not by individual features of the detergents. The detergent plays a role of the modulator of these properties. Application of this crystallization method to the wide range of MPs is very promising since it dramatically facilitates crystallization. However, one needs to perform a number of screening experiments for each new MP to determine the optimal parameters of the lipidic mesophase for certain protein. To do so with limited amounts of MPs, especially human proteins, which are usually very difficult to produce in sufficient amount, the application of the high throughput robotic systems for nano volume crystallization could be the only solution. The major goal of this work is the transfer of the present approach for large scale crystallization of MPs from IAB to the nano volumes. To do so a large variety of crystallizations experiments were carried out for different MPs. The facts, which influence the crystallization results, as well as structural information obtained were carefully analyzed. It was demonstrated that large crystals of different MPs suitable for X-ray crystallography can be reproducibly obtained using this nano volume crystallization method. The first chapter “Introduction” includes a general description of MPs, different approaches for crystallization of MPs, their advantages and limitations. The overview of membrane proteins, which are studied in this work, the information available and unsolved problems are presented. The second chapter presents the materials and methods used in the study. The third chapter “Results and Discussions” describes the results obtained and their interpretation. To begin with, nano volume crystallization from IAB of bacteriorhodopsin and the comparison with large scale crystallization approach is presented. Detailed nano volume crystallizations in the presence of fluorinated surfactants and poloxamers were performed for the first time and described in details. The application of nano volume approach for the crystallization of the complex of sensory rhodopsin II from Natronomonas pharaonis with its cognate transducer and the proteins complex with important mutation in the transducer, which eliminates the action of the proteins, is presented. Nano volume crystallization results for another complex of two MPs – triple mutant of BR, which operates like a signal transductor, together with transducer from Natronomonas pharaonis are described. A light-driven chloride pump halorhopsin from Natronomonas pharaonis was also crystallized by new approach and crystallization results are presented. The structure of new MP – bifunctional enzyme cytidine-5′-triphosphate:inositol-1-phosphate cytidylyltransferase/ di-myo-inositol-1,3-phosphate-1-phosphate synthase from hyperthermophiles Archaeoglobus fulgidus was solved using the crystals obtained by nano volume crystallization from IAB. Structure details, significance and proposed mechanism of the enzymatic action are discussed. The final conclusions as well as the perspectives of the developed methods are given in the last chapter of the thesis.

Au cours de ces dernières décennies, les cations lanthanides trivalents ont été à l'honneur en matière de haute technologie. Ces éléments sont utilisés dans des applications stratégiques telles que les lunettes optiques et les lasers, les télécommunications, l'éclairage et les écrans, les matériaux magnétiques, les disques durs, les encres de sécurité et les labels de contrefaçon, la catalyse, les biosciences et la médecine, pour n'en citer que quelques exemples. Cet intérêt croissant pour ces métaux fait de la chimie de coordination des éléments 4f un champ de recherche attrayant avec des perspectives presque illimitées. Ainsi la quête de nouveaux matériaux afin d'améliorer le caractère apporté par les éléments 4f au sein de complexes moléculaires n'a cessé de s'intensifier au cours des dernières décennies. Dans ce cadre, la compréhension précise de la relation structure cristalline-propriétés physiques (magnétisme, luminescence) devient primordiale puisqu'elle permet d'améliorer les objets synthétisés. Par conséquent, la conception de nouvelles architectures moléculaires à base d'ions lanthanide se révèle être nécessaire pour élargir la base de données disponibles et ainsi améliorer les connaissances pour ensuite optimiser les applications. Le présent travail de recherche s'insère parfaitement dans cette thématique, à savoir améliorer les connaissances sur les corrélations possibles entre la structure cristalline d'un complexe d'ions lanthanide et ses propriétés. Au cours de cette thèse, différents systèmes moléculaires originaux ont été élaborés et nous nous sommes particulièrement intéressés à la description et la compréhension des propriétés magnétiques et de luminescence. Les complexes ont été construits avec des ligands de type β-dicétone. Ces dernières offrent différents modes de coordinations qui ont permis de mettre en œuvre de nouvelles familles de complexes de lanthanides. Selon les conditions de synthèse, la nuclearité des complexes est contrôlée de [Ln1] à [Ln9]. De même, il a été possible en ajustant les conditions de synthèse de contrôler finement l'environnement des ions lanthanide au sein de ces complexes. Par dopages des clusters à forte nuclearités, nous avons pu exacerber les propriétés de luminescence des composés étudiées. Les édifices dinucléaires, trinucléaires et tétranucléaires présentent quant à eux un comportement de molécule-aimant et certains d'entre eux sont des molécules-aimants avec un moment toroïdal. Enfin, certains de ces complexes peuvent également se comporter comme des matériaux bi-fonctionnels combinant propriété de molécule-aimant et de luminescente. Ainsi l'étude du caractère spectroscopique et magnétique de ces entités nous a permis de rationaliser les propriétés physiques par rapport à la structure / Over the last few decades, lanthanides have been highlighted in high technology. These elements are used in strategic applications such as optical glasses and lasers, telecommunications, lighting and screens, magnetic materials, hard drive, security inks and counterfeit labels, catalysis, biosciences and medicine…This progress makes the coordination chemistry of 4f elements a mature and attractive field of research with almost unlimited perspectives which brings a new perception, a new area to coordination chemistry. The quest for new materials to improve the character provided by the 4f elements is steadily intensifying. In this context, the precise understanding of the structure-property relationship takes an important place, since this latter derives the properties. Consequently, it is still necessary to design new structures to expand the available database and thus improve knowledge and then promote applications. The present work is part of this idea to provide more information on the structure-properties relationship of lanthanide complexes. Indeed, during this thesis different original nuclear systems were developed and we were particularly interested in the description and understanding of the magnetic and luminescence properties. Molecular entities were constructed with β-diketone ligands. The latter offer different modes of coordination that have allowed the design of new families of lanthanide complexes. According to synthesis conditions, the nuclearity of the complexes is controlled from [Ln1] to [Ln9]. By doping the complexes with high nuclearity we were able to exacerbate the luminescence properties of the compounds studied. In regards to magnetism, the dinuclear, trinuclear and tetranuclear structures exhibit a single molecule magnet (SMM) behavior and some are magnet molecules with a toroidal moment. Other such complexes can also behave as bi-functional materials, combining SMM and luminescent property. Thus the study of the spectroscopic and magnetic character of these entities enabled us to rationalize the physical properties with respect to the structure, which is a great advantage in the field of coordination of the lanthanides

Une approche expérimentale mettant en œuvre des techniques électrochimiques et mécaniques a été utilisée pour étudier la corrosion sous contrainte (CSC) de l’acier inoxydable 304L dans des électrolytes acides (0,5-5 M H2SO4) avec et sans chlorure. La CSC a été réalisée dans le but d’étudier les aspects cristallographique et cinétique de la rupture. La microscopie électronique à balayage a dévoilé, d’une part, des traces successives au niveau des plans de glissement sur les facettes de la fissure, et d’autre part une vitesse non-linéaire de la fissuration. Une méthode a été proposée pour accéder à la cristallographie de fissuration en utilisant la diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD). Il a été démontré que les ruptures préférentielles s’effectuent au niveau des plans {111} pour ¾ du temps et des plans {110} le reste du temps. Ces résultats soutiennent les modèles récents de la CSC, tels que la plasticité localisée rehaussée par la corrosion. Les profils d’évolution de la contrainte appliquée/résiduelles ont été déterminés par diffraction des rayons X avant et après CSC. Ces analyses serviront à développer un modèle de rupture micro-mécanique. Lors des essais potentiodynamiques optimisés de corrosion, les taux de dissolution élémentaires et le courant total ont été mesurés en combinant une cellule d'écoulement électrochimique et l'analyse des produits de corrosion par spectroscopie d'émission atomique à plasma à couplage inductif. Ces résultats ont été utilisés, pour séparer la partie de courant consacré à la formation de la couche passive du courant total. Le modèle de conduction ionique sous tension élevée a été mis à jour pour calculer le taux de passivation et l'épaisseur de la couche passive. Les contraintes dans le matériau expliquent une différence mesurable de la cinétique de croissance du film passif et de son épaisseur. / : A multidisciplinary experimental approach of electrochemical and mechanical techniques was employed to study the corrosion of different stress states of 304L stainless steel in acidic electrolytes (0.5-5 M H2SO4) with and without chloride additives. Stress corrosion cracking (SCC) conditions were applied to evidence cracking crystallographical and propagation aspects. Scanning electron microscopy of SCC revealed clear traces of successive slipping planes and consequent dissolutions on the crack facets, and nonlinear crack propagation kinetics. A method was proposed to access cracking crystallography using electron back scattered diffraction. It demonstrated {111} and {110} preferential cracking planes in proportion of about 75% and 25% respectively, which supports recent SCC models such as corrosion enhanced localized plasticity. The profiles of (applied/residual) stress evolution measured by X-ray diffraction before and after SCC were used as an introduction to develop a micro-mechanical cracking model. During optimized potentiodynamic corrosion tests, elemental dissolution rates and total current transients were measured by combining electrochemical flow cell and downstream solution analysis by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy. The results were used to separate the current portion spent on passive film formation from the total current. The high field ion conduction model was upgraded to calculate the constructed passive film thickness and passivation rate. The applied stress caused a measurable difference in passive film growth kinetics and its thickness.