L'émergence de bactéries résistantes aux antibiotiques constitue un problème majeur de santé publique responsable d'un nombre croissant de décès, surtout dans les hôpitaux. La résistance aux aminoglycosides est principalement due à l'expression d'enzymes capables de les modifier, comme les aminoglycosides phosphotransférases (APH).Le premier volet de ce travail de thèse vise à mieux comprendre les bases moléculaires des interactions protéine-ligands et de la catalyse enzymatique d'une de ces enzymes, l'APH(2”)-IVa. La spécificité de substrats a été caractérisée en détails pour différents aminoglycosides par des méthodes thermodynamiques, de mesures cinétiques à l'état stationnaire et transitoire, par amarrage moléculaire et cristallographie aux rayons X. La seconde partie de cette étude consiste à développer et optimiser des inhibiteurs allostériques de ces enzymes capables de restaurer l'efficacité des aminoglycosides. Pour cela, une cavité, potentiellement impliquée dans la dynamique de l'APH(2”)-IVa, a été identifiée à partir de simulations de dynamique moléculaire. Celle-ci a servi de cible pour cribler, in silico, 12 000 composés issus de la banque de données Zinc. Ainsi, 14 composés ont été testés in vitro pour leur capacité à diminuer l'activité enzymatique d'APH. Parmi ces derniers, une molécule s'est révélée être un inhibiteur non-compétitif de l'APH(2”)-IVa. Une étude des relations structure-fonction a permis de déterminer les groupements les plus favorables à l'inhibition et d'identifier un composé plus efficace. L'utilisation de ces deux molécules permet de restaurer, par exemple, la sensibilité à la sisomicine d'une souche d'E. faecium exprimant cette enzyme. Cette étude fournit des bases au développement de thérapies combinant un aminoglycoside et un inhibiteur des enzymes d'inactivation constituant une stratégie pour lutter contre la résistance aux antibiotiques dans un contexte thérapeutique. / Emergence of multi-drug resistant bacteria leads to increasing fatal issues especially in hospitals. Resistance to aminoglycoside antibiotics is mainly due to the expression of modifying enzymes, such as aminoglycoside phosphotransferases (APH). The first aim of this project was to elucidate the molecular basis of protein-ligand interactions and catalysis of one of these enzymes, the APH(2”)-IVa. Promiscuity of aminoglycoside substrates has thus been characterized in details using thermodynamics, transient and steady state kinetics, molecular docking and X-ray crystallography techniques.The second part aimed to develop and optimize allosteric inhibitors of these enzymes able to counterbalance aminoglycoside resistance. For this purpose, a small cavity, potentially involved in APH dynamics, was identified from molecular dynamic simulations. This cavity was used as a target to virtually screen 12 000 compounds of the Zinc database. The efficiency of the 14 high-ranked molecules to inhibit APH was evaluated in vitro and lead to the identification of a non-competitive inhibitor of APH(2”)-IVa. Structure-activity relationships highlighted the most favourable substituents for APH inhibition and permitted to obtain a more potent compound. The two molecules were able to restore, for example, sisomicin susceptibility of an E. faecium strain, expressing this enzyme.This study provides a basis for the development of combined chemotherapies (antibiotic with enzyme inhibitor) which may overcome antibiotic resistance in a clinical context.

Il est reconnu, depuis des années, que la flore intestinale par son équilibre complexe et dynamique joue un rôle essentiel dans la santé humaine. Une des stratégies les plus prometteuses pour la maintenir ou l’améliorer consiste à moduler le microbiome par l’utilisation de bactéries probiotiques ou de sucres prébiotiques. C’est dans ce contexte que s’inscrivent les études structurales et fonctionnelles d’α glucosidases bactériennes développées dans cette thèse. Ces enzymes hydrolysant les liaisons α-(1,4) glucosidiques sont classées, selon la base de données CAZy, dans les familles de glycoside hydrolases (GH) 4, 13, 31, 63, 97 et 122. Ces travaux de thèse, centrés sur trois α-glucosidases issues de Lactobacillus bulgaricus (11842aglu, GH31), Lactococcus lactis (1403aglu, GH13) et Shewanella sp. ANA-3 (SHWaglu, GH97), exposent la mise au point de leurs protocoles de surexpression et de purification. Ils présentent également des études bioinformatiques de 11842aglu et de 1403aglu, ainsi qu’une caractérisation enzymatique préliminaire de cette dernière. Une analyse structurale et fonctionnelle approfondie de SHWaglu a aussi été réalisée. La résolution, par cristallographie aux rayons X, des structures de SHWaglu seule, en complexe avec différents ligands et de mutants, a participé à enrichir les connaissances, jusqu’à présent peu étendues, sur les enzymes de la famille GH97. Ainsi, un motif structural conservé au sein de cette famille a notamment été mis en évidence. Par ailleurs, ces informations structurales combinées aux études enzymatiques ont permis de révéler des déterminants moléculaires de l’activité de cette α-glucosidase et, par conséquent, d’établir les relations structure-fonction-activité de cette enzyme. Ainsi, l’ensemble des données obtenues, couplé à des études d’ingénierie protéique, contribue à ouvrir de nouvelles perspectives industrielles, notamment en suggérant d’optimiser ou de conférer des activités enzymatiques modifiées dans certaines cibles de choix afin de leur faire synthétiser des sucres de type prébiotiques / It is now generally accepted that the gut flora with its complex and dynamic nature plays a vital role in human health. One of the most promising strategies for maintaining or improving health is to modulate the microbiome by the use of probiotics and prebiotics as food supplements. The structure/function/activity relationship studies of bacterial α-glucosidases described in this thesis have been performed within this context. These α-(1,4)-glucosidic bond hydrolyzing enzymes are classified, according to the CAZy database, into glycoside hydrolases families (GH) 4, 13, 31, 63, 97 and 122. This thesis work, has focused on three α-glucosidases from Lactobacillus bulgaricus (11842aglu, GH31), Lactococcus lactis (1403aglu, GH13) and Shewanella sp. ANA-3 (SHWaglu, GH97), and the development of their overexpression and purification protocols. It also presents a bioinformatics studies of 11842aglu and 1403aglu, as well as preliminary enzymatic characterization of the latter. As for SHWaglu, detailed structural and functional studies have been carried out. The crystal structures of SHWaglu in its native state, in complex with different ligands as well as site directed mutants have contributed to increase our knowledge on enzymes from the GH97 family which to date remains relatively limited. Notably, a conserved structural motif in this family has been identified. Overall, the structural- and enzymatic studies and analyses have revealed molecular-and structural determinants governing the activity and broad substrate specificity of this α-glucosidase which is adapted to cold temperatures. Apart from the insight gained from a fundamental research point of view, data described within this work, coupled with protein engineering studies may contribute to open up new industrial perspectives, in particular by suggesting optimized or altered enzyme activities in some attractive enzyme targets with the aim of synthesizing prebiotic compounds

Depuis sa découverte il y a plus de 30 ans, le Virus de l’Immunodéficience Humaine est à l’origine d’une importante mortalité dans le monde. De par la difficulté de tester l’efficacité de formulations thérapeutiques et/ou vaccinales directement chez l’homme, des études d’infections modèles du VIH, comme celle du Virus de l’Immunodéficience Féline (FIV), ont été entreprises ces dernières années. Au-delà de son intérêt vétérinaire, l’étude du FIV représente un avantage important pour trouver un moyen de contrôler les infections par les lentivirus tel que le VIH. Elle peut permettre de développer et surtout de tester l’efficacité des vaccins et/ou thérapies spécifiques chez le chat, dont le SIDA mime les symptômes et les modifications hématologiques rencontrés chez l’homme. Ce manuscrit s’est intéressé à l’étude structurale de deux familles de protéines virales de ces virus, les protéines lentivirales précoces (protéine Tat du VIH) et tardives (domaines Capside CA et Matrice MA de Gag du FIV). L’étude structurale de ces protéines et leur compréhension fonctionnelle au sein de l’hôte pourront à l’avenir ouvrir de nouvelles voies thérapeutiques et/ou vaccinales contre les lentivirus, palliant ainsi les problèmes existants de résistances virales / Since its discovery 30 years ago, the Human Immunodeficiency Virus is the cause of an important mortality worldwide. Because of the difficulty to test the efficiency of therapeutical and/or vaccinal formulations directly in humans, studies of models of HIV infections, such as the Feline Immunodeficiency Virus (FIV), have been performed in recent years. In addition to its veterinary interest, the study of FIV is an important issue to find a way to control infections by lentiviruses such as HIV. It can help to develop and test the efficiency of specific therapies and/or vaccines for cats, where AIDS mimics the symptoms and hematologic changes observed in humans. This manuscript describes the structural study of two types of viral proteins of these viruses, early lentiviral proteins (HIV Tat protein) and late lentiviral proteins (CA capsid and MA Matrix domains of FIV Gag). The structural study of these proteins and their functional understanding into the host will open new therapeutic and/or vaccine strategies against these lentiviruses in the future, in order to overcome the existing problems of viral resistance

De nombreuses bactéries pathogènes piratent les machineries qui régulent le trafic cellulaire pour échapper à la réponse immunitaire de l’hôte ou faciliter leur multiplication. Les familles de petites protéines G Arf et Rab sont des régulateurs majeurs de la régulation du trafic intracellulaire et sont de ce fait des cibles privilégiées pour de nombreuses bactéries pathogènes. Ces pathogènes intracellulaires injectent dans leur cellule hôte des effecteurs capables d’imiter l’activité biochimique de leurs régulateurs pour activer, inhiber ou moduler l’activité des protéines. Ce projet porte sur l’étude de la famille de régulateurs bactériens RalF présents chez les bactéries Legionella pneumophila et Rickettsia prowazekii, les agents responsables de la maladie du Légionnaire et du typhus épidémique, respectivement. RalF possède un domaine catalytique apparenté à celui des facteurs d’échange eucaryotes dont le la fonction est d’activer la petite protéine G Arf. Cet effecteur bactérien agit comme un régulateur illégitime pour détourner les fonctions cellulaires de Arf1. L’objectif de cette thèse est de décrypter les mécanismes biophysiques, structuraux et dynamiques de régulation de la famille RalF pour comprendre les interactions protéine-protéine ou protéine- membrane impliqués dans le piratage de la fonction de Arf1. La combinaison d’études biochimiques et structurales nous ont permis de montrer que RalF est régulé par un cluster aromatique « senseur » de l’environnement lipidique lui permettant de localiser Arf1 à une membrane spécifique. / Many pathogenic bacteria highjack the cellular machineries that control cellular traffic in order to escape the host immune response, or to facilitate their replication. Small GTP-binding proteins (GTPases) of the Arf and Rab families, which are pivotal regulators in these processes, have thus been identified as targets for various human intracellular pathogens. To that purpose, these pathogens translocate bacterial effectors in the host cell, which mimics biochemical functions of their regulators to activate, inhibit or modulate of theses proteins. In this work, we study RalF, a family of bacterial regulators, which are translocated in host cells by the human intracellular pathogens Legionella pneumophila and Rickettsia prowazekii, which are responsible for Legionnaire’s disease and epidemic typhus, respectively. RalF possesses a catalytic domain related to eukaryotic exchange factors, which stimulate GDP/GTP exchange to activate small G-proteins Arf. This bacterial effector acts as an illegitimate regulator to divert cellular functions of Arf1. The aim of this work is to decipher biophysical, structural and dynamics regulation mechanisms of RalF family to understand the intramolecular protein-protein and protein-membrane interactions that underlie highjacking of Arf1 function. Using biochemical and structural analyses we showes how RalF is regulated by a membrane “sensor” to recruit Arf1 at specific membrane locations.

Les aminoglycosides, des dérivés aminés de saccharides, interfèrent avec le mécanisme de synthèse des protéines chez les bactéries en se fixant au site de décodage de l'ARN de transfert aminoacylé (site A) situé en 3' de l'ARN ribosomique 16S. Au cours de ce travail de thèse, les structures de trois complexes entre des fragments d'ARN incorporant le site A et les aminoglycosides paromomycine, tobramycine et généticine, ont été résolues par cristallographie aux rayons X à 2,40-2,54 Å. L'analyse des structures montre que la reconnaissance et la fixation spécifiques des aminoglycosides au site A font intervenir de nombreuses liaisons hydrogène directes et pontées par des molécules d'eau. Dans ces structures, la partie néamine commune aux aminoglycosides (cycles I et II) s'intercale dans l'hélice de manière similaire : le cycle I (non plan) forme une pseudo paire de bases avec l'adénine 1408 ; la néamine oblige les adénines 1492 et 1493 à pointer hors de l'hélice. La comparaison des structures 3D de ces trois complexes offre des explications moléculaires aux différents résultats de biochimie et de microbiologie, ainsi qu'à certains phénomènes de résistances et de toxicités. Les conformations du site A et des aminoglycosides au sein de ces complexes sont similaires à celles du site A et de la paromomycine au sein de la sous-unité ribosomique 30S. Ainsi, la stratégie développée permet une description des interactions et des modes de fonctionnement des aminoglycosides proche du contexte naturel mais plus précise, essentielle à notre connaissance du système ARN/aminoglycoside. De ces résultats découlent des lignes directrices laissant envisager sous un jour nouveau la conception d'antibiotiques moins sujets aux résistances et moins toxiques.

Récemment Franzetti et al. ont découvert un nouveau type de protéases auto-compartimentées indépendantes d'énergie dans les archaeas. Les particules ont été appelées TET pour leurs structures tridimensionnelles tétraédriques. Les TETs forment de grands complexes d'un poids moléculaire d'environ 500kDa. Leur rôle dans l'organisme est pourtant inconnu. Dans P. horikoshii, une Archaea hyperthermophile de la mer profonde, trois protéases TET ont été identifiées (PhTET1, 2 et 3). Nous avons exprimé et purifié PhTET3 recombinante. L'enzyme a été caractérisée biochimiquement et nous avons déterminé la structure d'un complexe de PhTET3 de 12 sous-unités par cristallographie aux rayons X. Afin de mieux comprendre son rôle physiologique potentiel et de s'assurer pourquoi il y a trois protéases TET dans P. horikoshii, la structure et les propriétés enzymatiques de PhTET3 ont été comparées à celles de deux autres protéases TET déjà caractérisées. Puisque l'auto-compartimentage joue un rôle important dans le fonctionnement et la régulation des protéases, les facteurs commandant l'oligomérisation de PhTET3 in vitro ont été étudiés par ultracentrifugation analytique et diffusion de neutrons aux petits angles. Finalement, dans des états physiologiques de mer profonde, l'enzyme est exposée à la haute température (jusqu'à 100°C) et à la haute pression. Afin d'étudier les limites de la stabilité de grands assemblages macromoléculaires, la structure à basse résolution et l'activité enzymatique de PhTET3 ont été mesurées à hautes pressions et à hautes températures en utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles et la spectrophotométrie à haute pression. Au total, ces études ont indiqué que les protéases TET de P. horikoshii forment un système intégré de dégradation de peptides et que PhTET3 montre une stabilité exceptionnelle à haute pression et à haute température aussi bien que des propriétés enzymatiques associées aux conditions environnementales.

Sous l'effet du stress oxydatif, la production des espèces réactives de l'oxygène (ERO) est accrue. Les ERO peuvent réagir avec différentes molécules biologiques dont les acides gras polyinsaturés libres ou provenant des lipides membranaires engendrant la formation d'hydroperoxydes d'acides gras. Dans le chloroplaste, ces molécules sont sujettes à de nombreuses modifications enzymatiques ou chimiques aboutissant à la formation d'oxylipines. Les oxylipines participent à la signalisation cellulaire (précurseurs de la voie du jasmonate par exemple), à la défense de la plante (activité antimicrobienne par exemple). Certaines de ces molécules très réactives et toxiques doivent être métabolisées en des produits moins réactifs, par des réactions d'oxydoréduction par exemple.La ceQORH (chloroplast envelope Quinone OxydoReductase Homolog) et IEP32 (Inner Envelope Protein 32) d'Arabidopsis thaliana sont des oxydoréductases chloroplastiques impliquées dans la détoxification de la plante. Elles sont transportées au travers de l'enveloppe du chloroplaste sans clivage de leur peptide de transit par une voie d'import alternative à la voie TOC/TIC (Translocon at the Outer envelope membrane of Chloroplasts et Translocon at the Inner envelope membrane of Chloroplasts). Ces particularités ont fait de la ceQORH et d'IEP32 des enzymes intéressantes à étudier.IEP32 a été purifiée et cristallisée. Les structures de la ceQORH sous forme apo, liée au NADPH et liée au NADP+ et à des inhibiteurs ont été déterminées en utilisant la cristallographie aux rayons X. Leur analyse a permis de mettre en évidence que la ceQORH existe sous différents états oligomériques dans les conditions expérimentales utilisées. Ces observations ont été confirmées par des expériences d'ultracentrifugation analytique. La ceQORH est une enzyme monomérique qui lie le NADPH par l'intermédiaire de son domaine de Rossmann . Le site catalytique, large et hydrophobe, permet à la ceQORH d'accommoder et de réduire un grand nombre de substrat dont le motif commun est la présence d'une fonction alcène en α, β d'un groupement carbonyle. Les constantes d'efficacité et d'affinité étant meilleures pour les γ-kétols que pour les quinones, nous proposons que la ceQORH soit renommée « γ-kétol réductase ».Mots clefs : chloroplaste - Medium chain dehydrogenase/reductase - γ-kétol réductase - oxylipines - oligomérisation - inhibition - cristallographie aux rayons X - ultracentrifugation analytique / Under the influence of the oxidative stress, the production of the Reactive Oxygen Species (ROS) is increased. These compounds can react with various biological molecules like free polyunsaturated fatty acids or derived from lipids producting hydroperoxides of fatty acids. In chloroplast, these molecules are subject to numerous enzymatic or chemical modifications resulting in oxylipins. Oxylipins participate in cell signaling (precursors of the way of the jasmonate for example), or in the defense of the plant (antimicrobial activity). However some of them are very reactive and toxic so they are metabolized in less reactive molecules by oxidoreduction reactions.The ceQORH (chloroplast envelope Quinone OxydoReductase Homolog) and IEP32 (Inner Envelope Protein 32) of Arabidopsis thaliana are chloroplast oxidoreductases involved in the plant detoxification. They are transported through the envelope of the chloroplast without cleavage of their transit peptide by an alternative import pathway of TOC/TIC (Translocon at the Outer envelope membrane of Chloroplasts and Translocon at the Inner envelope membrane of Chloroplasts). In order to better understand their roles, we studied their enzymatic properties and structures.IEP32 was purified and crystallized. The structures apo-ceQORH and bound to the NADPH/ NADP + with inhibitors were determined using X-ray crystallography. The analysis allowed us to show that ceQORH exists under different oligomerization states what was confirmed by results of analytical ultracentrifugation. The NADPH binding to the Rossmann fold induces the monomerization. The catalytic site is large and hydrophobic allowing to ceQORH to reduce many α, β-unsaturated carbonyls of various chain lengths. CeQORH was shown to reduce with high efficiency the reactive double bond of γ-ketols that's why we propose to rename ceQORH by “γ- ketol reductase”.Keywords: chloroplast – Medium chain dehydrogenase/reductase – γ-ketol reductase – oxylipins – oligomerization state – inhibition – X-ray crystallography – analytical ultracentrifugation

La lectine de Helix pomatia (HPA), extraite de la glande à albumine de l'escargot de Bourgogne et spécifique du résidu GalNAc, appartient à une nouvelle famille de lectine dite de type H. Elle est utilisée depuis plus de vingt ans comme marqueur d'adénocarcinomes (notamment du sein, du colon, du poumon) à fort pouvoir métastatique et donc faible pronostic vital. Son utilisation comme outil de routine en oncologie est, cependant, fortement limitée par son impossibilité à la produire sous forme recombinante. Afin de contourner ces difficultés, des protéines homologues ont été recherchées chez d'autres invertébrés. Deux lectines de type H ont été identifiées chez l'amibe Dictyostelium discoideum (discoidines) et une chez le corail Sinularia lochmodes (SLL-2). Les discoidines sont composées de deux domaines distincts, un domaine C-terminal, spécifique des résidus galactosylés et homologue à HPA et un domaine N-terminal, dit domaine discoidine, de fonction inconnue. Ces travaux de thèse portent, dans un premier temps, sur la poursuite de la caractérisation structurale de la discoidine 1 puis sur la production du domaine N-terminal de la discoidine 2 afin de confirmer la fonction lectine supposée. Dans un second temps, des expériences de microscopie confocale ont montrés que les discoidines ne possédaient pas la capacité d'HPA dans la discrimination des cellules métastatiques par rapport aux non métastatiques. La construction, par mutagenèse, d'une protéine chimérique entre la discoidine 2, très facilement produite dans E. coli, et HPA a alors été entreprise, le but étant de lui apporter la même spécificité qu'HPA. Enfin, la protéine SSL-2 a été clonée et de nombreux essais d'expression sous forme soluble et de purification ont été réalisés en vue de sa caractérisation biochimique et structurale pour sa possibilité d'utilisation comme marqueurs en histopathologie / The lectin of Helix pomatia (HPA), extracted from the albumin gland of the Roman snail and specific for the residue GalNAc, belongs to a new H type lectin family. It is used for twenty years as marker for metastatic adenocarcinoma (in particular breast, colon, lung) associated with poor life prognostic. Nevertheless, its use as routine tool in oncology is highly limited because of its incapability to produce it in a recombinant form. To avoid these difficulties, homologous proteins were searched in others invertebrates. Two H type lectins have been identified in the amiboe Dictyostelium discoideum (discoidins) and one in the coral Sinularia lochmodes (SLL-2). Discoidins are composed of two distinct domains, a C-terminal domain, specific for galactosylated residues and homologuous to HPA and an N-terminal domain, called discoidin domain, with unknown function. This thesis is focused, in a first time, on the continuation of structural characterization of discoidin 1 and on the production of the N-terminal domain of discoidin 2 to confirm the supposed lectin function. In a second time, confocal microscopy experiments showed that discoidins was not able to discriminate metastatic cancer cells to non metastatic ones, as HPA does. The construction, by mutagenesis, of a chimeric protein between discoidin 2, easily produced in E. coli, and HPA, began. The purpose was to give the same specificity as HPA. Last, SLL-2 was cloned and numerous expression assays, in a soluble form, and purification was tried to characterize the protein biochemistrycally and structurally. The aim was to test it as marker in histopathology.

Les amphipoles (APols) sont devenus des outils importants pour la stabilisation, le repliement, et les études structurales et fonctionnelles in vitro des protéines membranaires (MPs). Les MPs sont les unités fonctionnelles des biomembranes et représentent environ un tiers des protéines qui sont codées par le génome. La première partie de mon travail est dédiée à la cristallisation de MPs piégée par des APol. La cristallisation directe de protéines solubilisées en APol sera d'une grande importance pour la biologie structurale. Cependant, malgré des efforts considérables, il n'est pas certain que les complexes MP/APol peuvent être utilisés pour former des cristaux bien ordonnés utilisables en cristallographie des rayons X. Le premier objectif de cette thèse est de montrer que les MPs piégées par des APol peuvent être cristallisées in meso. Pour faire cela, nous avons utilisé des bicouches amphiliques interconnectées qui sont ajustables pour certaines MPs. Cette méthode a été récemment développée dans notre laboratoire. Nous avons utilisé la bactériorhodopsin (BR) piégée avec APol A8-35 comme système modèle pour nos études cristallographiques. Le premier cristal obtenu diffractait à 3 Å, alors qu'une nouvelle méthode de cristallisation en nanovolume, exploitant des précipitants secs, améliore les pics de diffraction aux rayons X observés jusqu'a 2 Å. La structure de BR a été résolue à 2 Å et s'est révélée identique aux autre structures obtenues précédemment à partir de protéine solubilisée en détergents. Nous suggérons que le protocole proposé, de cristallisation in meso, est applicable aux MPs solubilisées avec des APols.La deuxième partie est liée aux applications des APols pour les études de MPs à l'aide de spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS). La spectroscopie SERS a énormément évolué depuis sa découverte en 1970. C'est un outil analytique puissant pour sélectionner les molécules qui adsorbent sur des nanoparticules et des nanostructures à base de métaux nobles, possiblement au niveau de la molécule unique. Malheureusement les études de MPs sont loin de l'application courante du SERS à cause de la difficulté résultante de la nature amphiphilique des MPs. La capacité des APols à piéger les MPs et de les garder solubles, stables et fonctionnelles ouvre la voie pour des applications extrêmement intéressantes des études SERS, éventuellement au niveau de la molécule unique. De plus, le deuxième objectif de ce travail de thèse était de démontrer la faisabilité de l'utilisation de SERS avec des MPs piégées par des APols. Le même modèle (BR/A8-35) a été utilisé pour les études cristallographiques et pour les agrégats de NP d'argent. Cette tâche a été réalisée a un niveau suffisant pour commencer des études de MPs avec la méthode SERS.Le premier chapitre de cette thèse commence avec des informations générales à propos de l'importance des études de MPs et les problèmes inhérents à leur manipulation. Plus loin dans le chapitre, un bref résumé des APols, de leurs propriétés et leurs applications est présenté. La majeure partie de l'introduction est dédiée aux points importants des différentes approches de cristallisation de MPs et de spectroscopie Raman, en particulier SERS spectroscopie, et leurs applications aux protéines. La fin de la partie “Introduction” présente les conclusions à propos des applications des APols pour les études de cristallographie aux rayons X et pour les études de spectroscopie SERS sur les MPs, définissant les objectifs principaux pour ce travail. Le chapitre “Materials and methods” consiste en une description détaillée des matériels et des protocoles utilisés dans cette étude. Le résultat des études de cristallisation et de SERS et leurs interprétations sont présentés comme deux différentes parties dans le dernier chapitre “Results and discussions”. Le chapitre “Conclusions and perspectives est présent dans chaque partie. / Amphipols (APols) have become important tools for the stabilization, folding, and in vitro structural and functional studies of membrane proteins (MPs). MPs are the main functional units of biomembranes and represent roughly one-third of the proteins encoded in the genome. The first part of my work was dedicated to crystallization of a MP trapped by APol. Direct crystallization of MPs solubilized in APols would be of high importance for structural biology. However, despite considerable efforts, it is still not clear whether MP/APol complexes can be used to form well-ordered crystals suitable for X-ray crystallography. The first major goal of this PhD thesis work was to show that APol-trapped MP can be crystallized in meso. To perform it we utilized special, flexibly adjustable for a certain MP, interconnected amphiphilic bilayers (IAB) approach which has been recently developed in our laboratory. We used bacteriorhodopsin (BR) trapped with APol A8-35 as a model system for our crystallization studies. The first obtained crystals diffracted to 3 Å, while a new developed type of high throughput nanovolume crystallization, exploiting dry precipitants, shifted the observed X ray diffraction peaks beyond 2 Å. The structure of BR was solved to 2 Å and found to be indistinguishable from previous structures obtained with a detergent-solubilized protein. We suggest that the proposed protocol of in meso crystallization is generally applicable to APol-trapped MPs.The second, to a certain extent, complementary part of the present work was related to application of APols to the surface-enhanced Raman scattering (SERS) studies of MPs. SERS spectroscopy has been developed dramatically since its discovery in the 1970s. It is a powerful analytical tool for selective sensing of molecules adsorbed onto noble metal nanoparticles (NPs) and nanostructures, including at the single molecule (SM) level. Unfortunately, MPs studies are far away from the main stream of SERS applications due to the great handling difficulties resulting from the amphiphilic nature of MPs. The ability of APols to trap MPs and keep them soluble, stable and functional opens the way for highly interesting applications of SERS studies, possibly at the SM level. Thus, the second goal of this PhD thesis work was to prove our concept of feasibility of SERS with MPs trapped by APols. Using the same as in the crystallization studies model BR/A8-35 complexes and silver NP aggregates, the task was fulfilled to a degree enough to start with the SERS studies of MPs.The first chapter of the PhD thesis begins with general information about the importance of MP studies and the problems with their handling. Further in this chapter, a brief overview of APols, their properties and applications is presented. The largest part of the “Introduction” is dedicated to main points of different MP crystallization approaches and Raman spectroscopy, in particular SERS spectroscopy, and their applications to proteins. The end of the “Introduction” part presents the conclusions about APol application for X-ray crystallography and SERS spectroscopy studies of MPs, setting the main goals for the present work. The “Materials and methods” chapter consists of detailed description of the materials and protocols used in this study. The results of crystallization and SERS studies and their interpretations are presented as two different parts in the last “Results and discussions” chapter. The “Conclusions and perspectives” sections accompany each of these parts.

La polyvalence de la réaction de couplage-croisé C-N a été explorée pour la synthèse de deux nouvelles classes de ligands: (i) des ligands bidentates neutres de type N^N et (ii) des ligands tridentates neutres de type N^N^N. Ces classes de ligands contiennent des N-hétérocycles aromatiques saturés qui sont couplés avec hexahydropyrimidopyrimidine (hpp). Les ligands forment de cycles à six chaînons sur la coordination du centre Ru(II). Ce fait est avantageux pour améliorer les propriétés photophysiques des complexes de polypyridyl de Ru(II). Les complexes de Ru(II) avec des ligands bidentés ont des émissions qui dépendent de la basicité relative des N-hétérocycles. Bien que ces complexes sont électrochimiquement et photophysiquement attrayant, le problème de la stereopurité ne peut être évité. Une conception soigneuse du type de ligand nous permet de synthétiser un ligand bis-bidentate qui est utile pour surmonter le problème de stereopurité. En raison de la spécialité du ligand bis-bidentate, son complexe diruthénium(II,II) présente une grande diastéréosélectivité sans séparation chirale. Alors que l'unité de hpp agit comme un nucléophile dans le mécanisme de C-N réaction de couplage croisé, il peut également agir en tant que groupe partant, lorsqu'il est activé avec un complexe de monoruthenium. Les complexes achiraux de Ru(II) avec les ligands tridentés présentent des meilleures propriétés photophysiques en comparason avec les prototypes [Ru(tpy)2]2+ (tpy = 2,2′: 6′, 2′′-terpyridine). L’introduction de deux unités de hpp dans les ligands tridentates rend le complexe de Ru(II) en tant que ‘absorbeur noir’ et comme ‘NIR émetteur’ (NIR = de l’anglais, Near Infra-Red). Cet effet est une conséquence d'une meilleure géométrie de coordination octaédrique autour de l'ion Ru(II) et de la forte donation sigma des unités hpp. Les complexes du Re(I) avec des ligands tridentates présentent un comportement redox intéressant et ils émettent dans le bleu. L'oxydation quasi-réversible du métal est contrôlée par la donation sigma des fragments hpp, tandis que la réduction du ligand est régie par la nature électronique du motif N-hétérocycle central du ligand lui-même. Cette thèse presente également l'auto-assemblage des métal-chromophores comme ‘métallo-ligands’ pour former des espèces supramoléculaires discretes utilisant des complexes neutres. Les synthèses et propriétés des métaux-chromophores précités et les supramolécules sont discutées. / The versatility of C-N cross coupling reactions has been explored for the synthesis of two novel classes of ligands : (i) neutral bidentate N^N ligands and (ii) neutral tridentate N^N^N ligands. Both classes of ligands contain saturated aromatic N-heterocycles coupled with the unsaturated hexahydropyrimidopyrimidine (hpp) unit. The ligands form six-membered chelate rings upon coordination to a Ru(II) center. This fact is advantageous to improve the photophysical properties of Ru(II)-polypyridyl complexes. Ru(II) complexes of bidentate ligands can act as red-emitters. The red-emission is dependent on the relative basicity of the N-heterocycles. While these complexes are electrochemically and photophysically appealing, the problem of stereopurity can not be avoided. Careful ligand design affords bis-bidentate ligand that is useful to overcome the problem of stereopurity. Due to the speciality of this bis-bidentate ligand, its diruthenium(II,II) complex exhibits high diastereoselectivity without any chiral separation. While the hpp unit acts as a nucleophile in the mechanism of C-N cross coupling reaction, it can also act as a leaving group when activated as a monoruthenium complex. Achiral Ru(II) complexes of the tridentate ligands display improved photophysical properties over the prototype complex [Ru(tpy)2]2+ (tpy = 2,2’:6’,2’’-terpyridine). Introduction of two hpp units in the tridentate ligands renders the Ru(II) complex into a ‘black absorber’ and a ‘NIR emitter’ (NIR = Near Infra-Red). This fact is a consequence of better octahedral geometry around the Ru(II) ion and strong sigma-donation from the hpp units. The blue-emitting Re(I) complexes of the tridentate ligands also exhibit interesting redox behavior. The metal-based quasi-reversible oxidation is controlled by the sigma-donation from the hpp moieties, while the ligand-based reduction is governed by the electronic nature of the central N-heterocycle of the same ligand moiety. This thesis also incorporates self-assembly of metal-chromophores as ‘metallo-ligands’ to form discrete supramolecular species using neutral metal-complexes. The syntheses and properties of the aforesaid metal-chromophores and the supramolecules are discussed.