Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les « glycoligands » sont des complexants obtenus par fonctionnalisation avec des bases de Lewis de structures centrales de type sucre. Nous avons fait varier de manière sys tématique la nature d'une plateforme centrale monosaccharidique (pyrannoses et furannoses de configurations et conformations variées) dans le cadre de l'étude des complexes dérivés de ligands contenant trois fonctions éther de 2-picolyle (ligands « triéther »). Nous avons considéré également des ligands « aminoéther » et « diamino » obtenus respectivement par fonctionnalisation de dérivés de type aminodésoxy-furannose et diaminodidésoxy-furannose. Les propriétés de complexation de cette famille de ligands pour les cations divalents 3d (Mn . . . Cu) ont été appréciées à travers des études structurales (diffraction des rayons X) et spectroscopiques. Divers complexes ont été étudiés par dichroïsme circulaire prouvant le caractère diastéréosélectif de la réaction de complexation et mettant en évidence une corré- lation empirique entre la conformation des cycles pyrannosique ou furannosique et la forme du signal. Dans un exemple choisi, la complexation a été caractérisée thermodynamiquement (par titration calorimétrique isotherme) afin de mettre en évidence l'effet de l'inclusion du site de chélation dans une structure cyclique. L'activité de type superoxyde dismutase d'un glycocomplexe diamino de manganèse s'oxydant à l'état Mn(III) en solution aqueuse aérobie a été mesurée à l'aide du test de McCord-Fridovich.

La question de savoir comment les protéines se replient dans leur propre structure tridimentionnelle offre un défi passionnant pour les biophysiciens de nos jours. L'utilisation d'un saut de température rapide est une technique très puissante pour l'étude du processus de dénaturation des protéines. Toutefois, sonder la structure secondaire est un défi difficile et on obtient rarement des valeurs quantitatives. Le but principal de ce projet de thèse est de développer une mise en œuvre technique de dichroïsme circulaire dans l'UV extrême dans une expérience de saut de température nanoseconde. Notre expérience permet de suivre quantitativement l'évolution de la fraction hélicoïdale d'un peptide poly(acide glutamique) au cours de sa dénaturation thermique avec une résolution de 12 ns de temps.

L'objet de ce travail de thèse est l'étude de la photodissociation de la carboxymyoglobine (MbCO) par dichroïsme circulaire résolu temporellement (TRCD). La myoglobine (Mb) est une protéine responsable du stockage de l'oxygène dans les muscles de l'organisme. Lorsque le complexe MbCO absorbe un photon visible, il y a photodissociation, le CO se détache et quitte la protéine. Il s'agit donc de mesurer le dichroïsme circulaire de la myoglobine juste après la photodissociation, afin de pouvoir remonter aux changements de structure ultra rapides de la protéine. D'un point de vue expérimental, la difficulté de ce travail résidait dans la maîtrise des nombreux artefacts d'une telle expérience. D'un point de vue théorique, un calcul basé sur la théorie de la polarisabilité a permis de montre! r que le CD était sensible essentiellement aux mouvements de l'histidine proximale, résidu clef dans la compréhension de l'effet allostérique. Le résultat marquant de cette étude a donc été la mise en évidence d'une dynamique temporelle de 100 ps, attribuée à un mouvement de l'histidine proximale. Une nouvelle source laser a également été développée dans le but de faire des expériences de TRCD dans l'ultraviolet. L'objectif est de pouvoir suivre à terme la dynamique de repliement des protéines. Des résultats préliminaires ont été obtenus.

Pour exprimer sa fonction biologique, une protéine doit adopter une conformation spatiale unique et très précisément définie. On parle de " repliement " vers la structure " native ". La compréhension des mécanismes accompagnant ce processus est actuellement l'un des principaux enjeux de la recherche en biophysique. Dans ce contexte, nous avons mis en place une technique originale de mesure du dichroïsme circulaire, permettant de suivre avec précision les dynamiques structurales de petites molécules chirales en phase aqueuse, sur des échelles de temps allant de la picoseconde à la nanoseconde. Appliquée dans le domaine de l'ultraviolet, elle permet d'étudier les premières étapes du repliement de structures secondaires modèles. Le principe de cette technique repose sur la mesure de l'ellipticité induite par un milieu chiral sur une onde initialement polarisée linéairement. Après avoir présenté cette nouvelle méthode, nous montrerons comment la mettre en œuvre expérimentalement. Nous la comparerons ensuite aux techniques usuelles de mesure du dichroïsme circulaire, et l'appliquerons à l'étude de trois molécules (myoglobine, [Ru(phen)3]2+, 1,1'-Binaphthol). Enfin, nous nous intéresserons aux premiers résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de l'étude du repliement en hélices alpha de polypeptides modèles. Deux techniques d'initiation du repliement seront examinées : l'excitation optique d'un chromophore greffé à l'extrémité de la chaîne peptidique, puis l'induction optique d'un saut de température.

Les protéines sont parmi les molécules les plus importantes du monde vivant. Ce sont en quelque sorte les abeilles ouvrières de tout organisme. Elles remplissent, entre autres, des fonction enzymatiques, nerveuses, motrices ; elles transportent les petites molécules qui permettent aux cellules de fonctionner et de s'alimenter. Au cours de ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à l'étude de différents aspects des changements conformationnels pouvant avoir lieu dans les protéines. Tous ces phénomènes ont été approchés par une méthode commune : la mesure du dichroïsme circulaire résolu en temps. En effet le dichroïsme circulaire peut donner des informations quantitatives sur la position d'un chromophore ou le repliement d'une hélice alpha ce qui est un grand avantage par rapport à d'autres mesures. Ainsi nous avons étudié l'influence du solvant sur le dépliement de l'acide polyglutamique et observé des différences dynamiques et thermodynamiques entre les polypeptides dissouts dans l'eau et ceux placés dans l'eau lourde. Nous avons, par une méthode différente, élucidé une étape clef de la relaxation du chromophore dans la protéine PYP. Enfin nous avons abordé le mouvement des hélices alpha dans la bactériorhodopsine et ouvert la porte à la possibilité de changements conformationnels non prédits par d'autres mesures. Grâce à différentes méthodes de mesure du dichroïsme circulaire nous avons pu étudier des phénomènes à des échelles de temps variant de la picoseconde à la microseconde. Nous espérons que ces méthodes pourront être étendues à l'étude d'autres mécanismes de repliement.

Nanomatériaux de silice peuvent être facilement fabriqués, façonné et fonctionnalisés comme plates-formes pour le greffage des nanoparticules pour des applications biomédicales et optiques. Ici, nous utilisons une méthodologie basée sur un modèle de préparer une collection variée de hélicoïdale nanoparticules d'or (PNB) superstructures ayant impartialité contrôlable et mesures structurelles en utilisant PNB que les blocs de construction, et les nanohelices de silice que le modèle. Le matériaux présentent synthétisé bien définir Agencement chiral de PNB suivant l'hélicité de nanohelices de silice, montrant des signaux plasmoniques de dichorism circulaire (CD). D'autres observations ont prouvé ce plasmon CD vient de l'arrangement chiral de PNB et cet effet est très taille, l'échelle et dépend du pH. Nous nous attendons à ce que cette stratégie d'assemblage va découvrir une meilleure vue sur les métamatériaux et de susciter la vue vers "bottom-up" des approches en nanosciences. / Silica nanomaterials can be easily fabricated, fashioned and functionalized as platforms for grafting of nanoparticles for biomedical and optical applications. Herein, we utilize a template-based methodology to prepare a diverse collection of helical gold nanoparticle (GNPs) superstructures having controllable handedness and structural metrics by using GNPs as the building blocks, and the silica nanohelices as the template. The synthesized materials exhibit well-defined chiral arrangement of GNPs following the helicity of silica nanohelices, showing plasmonic circular dichorism (CD) signals. Further observations proved this plasmon CD comes from the chiral arrangement of GNPs and this effect is highly size, scale and pH dependent. We expect that this assembly strategy will discover a better view towards metamaterials and spark the view towards “bottom-up” approaches in nanoscience.

Cette thèse est consacrée à l’élaboration de films de nanofils d’argent orientés à l’aide de la technique de pulvérisation à incidence rasante. Couplée à la technique de dépôt couche-par-couche, il est possible de réaliser des films composés de plusieurs couches de nanofils d’argent orientées dans des directions différentes. Les films ainsi formés sont étudiés pour réaliser d’une part des supports conducteurs et transparents ordonnés et d’autre part pour réaliser des structures chirales aux propriétés optiques particulières. Une première étude est menée sur l’influence des différents paramètres de pulvérisation. Ils seront optimisés pour réaliser, dans un premier temps les échantillons transparents et conducteurs, puis dans un second, des structures chirales. Une seconde partie consiste à l’étude de structures hélicoïdales composées de plusieurs couches orientées de nanofils d’argent. Le dichroïsme circulaire de ces échantillons est étudié en fonction de différents paramètres de structure. Enfin une étude consistera à comparer les performances en tant que surface transparente et conductrice, de films orientés et d’argent sans ordre de nanofils. / This study consist in the elaboration of aligned films of silver nanowires by the Grazing Incidence Spraying (GIS) technique. Combined with the Layer-by-Layer (LbL) technique, it is possible to generate films composed of several aligned layers of silver nanowires with different directions of orientation. Optical and conductive properties of these films will be investigated to highlight the impact of these 3D ordered structures. The influence of different parameters of the GIS will be studied. These parameters will be optimized in ordrer to design samples for conductive and transparent films and to elaborate chiral structures. Chiral structures will be realized and their circular dichroism will be investigated in function of structural parameters. A last study will be realized about the influence of order for transparent and conductive electrodes by measuring performances of films with aligned and randomly deposed silver nanowires.

De nos jours, les nanomatériaux sont utilisés dans de très nombreux domaines allant de l’agroalimentaire à la santé en passant par l’industrie automobile et le textile. Dans ce contexte, de nombreuses disciplines comme la métrologie et la nanotoxicologie se sont fortement développées. Dans les milieux biologiques, les protéines interagissent avec les nanoparticules pour former une couronne de protéines. Cette couronne de protéines joue un rôle important dans les interactions des nanoparticules avec leur environnement. Comprendre et caractériser les interactions des nanoparticules avec les protéines permettraient d’améliorer l’utilisation des nanoparticules dans différents domaines, notamment dans celui de la santé. Nous avons d’abord mis au point une méthode de purification des nanoparticules permettant de préserver la structure et la composition de la couronne protéique (Asymmetric flow field-flow fractionation, AF4). Nous avons ensuite caractérisé la couronne protéique associée à ces nanoparticules par plusieurs méthodes telles que la sédimentation centrifuge différentielle, la microscopie électronique, des méthodes basées sur la diffusion de la lumière (diffusion dynamique de la lumière (DLS) et la résonance plasmonique de surface localisée ou non), le dichroïsme circulaire classique et le Synchrotron Radiation Circular Dichroism (SRCD, Diamond, UK). Nous avons montré qu’une couronne d’albumine sérique humaine provoque une augmentation du diamètre hydrodynamique des nanoparticules d’or de 14 à 25,3 nm et une diminution de la densité d’un facteur 2. Ceci nous a permis de calculer que 19 molécules d’albumine en moyenne interagissent avec une nanoparticule. Les spectres de dichroïsme circulaire ont permis d’estimer que l’albumine conserve environ 70% de ses structures hélicoïdales lorsqu’elle est complexée avec les nanoparticules. Nous avons estimé l’affinité avec laquelle les nanoparticules d’or interagissent qui est d’environ 351 nM pour l’albumine et 513 nM pour la transthyrétine qui est riche en brins béta. Nous avons également optimisé une méthode de couplage de l’AF4 à un appareil de mesure de la diffusion dynamique de la lumière (DLS) pour améliorer la précision de la mesure du diamètre hydrodynamique des nanoparticules. Cette méthode précise et flexible permettra de caractériser de nombreuses modifications de surface des nanoparticules comme l’ajout de polyéthylène glycol, utilisées pour la conception de nano-médicaments / Nowadays, nanomaterials are used in numerous areas ranging from food to health through cars and textile engineering. In this context, many disciplines such as metrology and nanotoxicology, have been developed. In biological fluids, proteins interact with nanoparticles to form the protein corona, which plays an important role in mediating the interactions of the nanoparticles with their environment. Understanding and characterizing the interactions of nanoparticles with proteins and the corona structure would improve their use in various fields and particularly in the health sector. We have first developed a method based on Asymmetric Flow Field Flow Fractionation (AF4) for purifying gold nanoparticles preserving the structure and composition of the protein corona. Then we have characterized the protein corona associated to these nanoparticles by differential centrifugal sedimentation, electron microscopy, light scattering (dynamic light scattering, DLS), surface plasmon resonance (SPR) and localized SPR and by circular dichroism (classical CD and Synchrotron Radiation Circular Dichroism, SRCD, Diamond, UK). We have shown that human serum albumin corona increased the hydrodynamic diameter of the gold nanoparticles from 14 to 25.3 nm and decreases their density by a factor of 2. This enabled us to calculate that 19 albumin molecules on average interact with a nanoparticle. We have estimated by circular dichroism that albumin maintains about 70% of its helical structures when complexed with nanoparticles. The affinity between gold nanoparticles and proteins, is about 351 nM for albumin and 513 nM for transthyretin, which are enriched in helices and beta strands respectively. We have also optimized a coupling method between the AF4 system and the dynamic light scattering apparatus to improve the measurement accuracy of the hydrodynamic diameter of the nanoparticles. This accurate and flexible method will be helpful to characterize many surface modifications of the nanoparticles such as the addition of polyethylene glycol used for the design of nanodrugs

Depuis la découverte de la chiralité moléculaire par Pasteur il y a plus de 150 ans, l'origine de l'homochiralité de la vie reste un mystère non résolu et troublant, qui remonte probablement à l'origine de la vie elle-même. Cette énigme a récemment été recensée dans Nature comme étant l’une des cinq plus grandes énigmes non résolues par la science.Aujourd'hui il existe deux façons d’aborder le problème de l'origine de l'asymétrie moléculaire impliquant des scénarios soit déterministes soit aléatoires. Ces derniers étant basés sur la résolution spontanée des énantiomères, et sont donc impossible à tester. En revanche, les théories déterministes peuvent être confrontées à l’expérience afin notamment de valider la reproductibilité de leur influence chirale.Le présent manuscrit est une synthèse bibliographique et expérimentale mettant en évidence les interactions de la LPC avec des molécules chirales dans le cadre de l’origine de l’homochiralité de la vie. Ces travaux ont pour but de mieux comprendre les propriétés chiroptiques de molécules chirales ainsi que de déterminer les espèces chirales susceptibles d'être présentes dans la glace cométaire / Since the Pasteur’s discovery of chirality more than 150 years ago, the origin of homochirality remains to be an unresolved mystery, which is probably linked to the origin of life-itself. This puzzle was named by the journal Nature as one of the five biggest unresolved puzzles in modern science.Today there exist two ways to address the question of the origin of molecular homochirality. It implies either deterministic or chance scenario. The latest is based on the spontaneous resolution of enantiomers by phase transition, and in consequence, it cannot be tested. On the other hand, deterministic theories can be subjected to experimental confirmation, since if there was, in fact, a chiral influence that imposed its chirality this should in principle be reproducible.The presented manuscript is a synthesis of bibliographic research and experimental studies that focus on the interaction of CPL with chiral molecules which are put in the context of the origin of homochirality of life. This work is aiming to advance our understanding of chiroptical properties of chiral molecules as well as to determine chiral species susceptible to be present in cometary ice