L’évolution de la reconstruction de surface de l’Au(111) sous contrainte-déformation a été étudiée dans le cadre d’une approche, à la fois expérimentale par microscopie à effet tunnel sous environnement ultra-vide couplée à un dispositif en compression, et numériquement par simulations en dynamique moléculaire. Dans un premier temps, nous avons étudié l’interaction entre les marches atomiques (vicinales ou traces de glissement) et la reconstruction. Nous avons notamment montré expérimentalement une forte dépendance de la longueur de la reconstruction avec la largeur des terrasses, en très bon accord avec les simulations atomistiques. Nous avons démontré de manière quantitative que ce comportement provenait de la relaxation des contraintes de surface, à la fois le long et perpendiculairement aux marches atomiques. Par la suite, nous avons montré que l’apparition d’une trace de glissement, résultant de l’émergence d’une dislocation à la surface, induit une réorganisation de la reconstruction, caractérisée par la formation d’un motif en forme de U. Nous avons par ailleurs observé expérimentalement la présence de décrochements le long de la trace. Les simulations ont confirmé que ces décrochements étaient corrélés avec la modification de la reconstruction. Dans un second temps, l’étude s’est axée sur l’évolution de la reconstruction en chevrons sous contrainte-déformation appliquée. Les observations expérimentales ont montré qu’une contrainte de compression macroscopique était à l’origine d’une modification de la structure en chevrons. Les simulations en dynamique moléculaire ont permis d’analyser l’influence de l’orientation de la contrainte sur les dislocations perçant la surface. Nous avons montré qu’une réorganisation irréversible de la structure en chevrons a lieu, se caractérisant par l’annihilation des dislocations perçant la surface et la suppression de la structure en chevrons. / The evolution of the surface reconstruction of the Au(111) under stress-strain has been studied in the context of an experimental approach, both by tunneling microscopy under ultra-vacuum environment coupled to a compression device, and numerically by molecular dynamics simulations. At first, we studied the interaction between atomic steps (vicinal or slip traces) and reconstruction. In particular, we showed experimentally a strong dependence of the length of the reconstruction with the width of the terraces, in very good agreement with the atomistic simulations. We have quantitatively demonstrated that this behavior is originated from the release of surface stress, both along and perpendicular to the atomic steps. Subsequently, we have shown that the appearance of a slip traces, resulting from the emergence of dislocations at the surface, induce a reorganization of the reconstruction, characterized by the formation of a U-shaped pattern. We also observed experimentally the presence of kinks along the trace. The simulations confirmed that these kinks are correlated with the modification of the reconstruction. At last, the study focused on the evolution of the chevron pattern under applied stress-strain. Experimental observations have shown that a macroscopic compressive strain involved a modification of the herringbone structure. Molecular dynamics simulations allowed to analyze the influence of stress orientation on surface threading dislocations. We have shown that an irreversible reorganisation of the herringbone structure takes place, characterized by the annihilation of the surface threading dislocations and the removal of the herringbone structure.

L’objectif de ce travail est de caractériser l’interaction entre le Lanréotide – un octapeptide dicationique – et des membranes composées de lipides. Bien que ce peptide soit très soluble, il possède des propriétés d’autoassemblage. Au-delà d’une concentration critique – qui est sensible à la température et à la force ionique – ce peptide s’auto-assemble en nanotubes dont la structure a été résolue par l’équipe. Ce travail de thèse comporte deux volets : d’une part l’étude de l’interaction entre le Lanréotide et des membranes anioniques, d’autre part l’étude de l’interaction entre le Lanréotide et des membranes neutres.Nous adoptons une approche structurale afin de caractériser les mélanges membrane-peptide : diffusion de rayons X, spectroscopie infrarouge (ATR-FTIR), microscopie électronique (coloration négative et cryofracture) ; ainsi qu’une approche quantitative (ultrafiltration et dosage) afin de déterminer la stœchiométrie des interactions. En présence de lipides anioniques, le Lanréotide interagit en totalité avec les membranes jusqu’à les saturer. Cette interaction, qui n’est pas abolie à forte force ionique (2M de NaCl ou de phosphate), provoque un autoassemblage du peptide à la surface des membranes. Ce phénomène génère des autoassemblages mixtes constitués d’un empilement de bicouches de peptide prises en sandwich entre des bicouches de lipides. Ces empilements s’enroulent selon une spirale d’Archimède, c’est-à-dire une spirale régulière dont le pas est constant. Dans ces assemblages mixtes le peptide est organisé dans un nouveau mode d’assemblage dont la structure est ici résolue.Dans le cas des mélanges membranes neutre-Lanréotide, un coefficient de partage du peptide entre l’eau et les lipides est mis en évidence. Ceci suggère que dans ces conditions le peptide peut traverser les membranes. Enfin l’interaction du Lanréotide avec ces membranes provoque une diminution de sa concentration critique d’assemblage. / The aim of this work is to characterize the interaction between the Lanreotide – a dicationic octapeptide – and membranes composed of lipids. Even if the peptide is very soluble, it has self-assembling properties. Above the critical concentration – which is sensitive to both temperature and ionic strength – the peptide self-assembles into nanotubes whose structure has been solved by the team. The present work is divided into two parts: on one side the study of the interaction of the Lanreotide with anionic membranes, on the other one the study of the interaction of the Lanreotide with neutral membranes.We adopted a structural approach to characterize the membrane-peptide mixture: X-ray scattering, vibrational spectroscopy (ATR-FTIR), electron microscopy (negative staining and freeze-fracture) ; we also used a quantitative approach (ultrafiltration and peptide quantification) in order to determine the stoichiometry of the interaction. In the presence of anionic lipids, the peptide interacts with membranes until its saturation. This interaction, which is not abolished at high ionic strength (2M NaCl or phosphate), induces the self-assembly of the peptide at the surface of the membrane. This phenomenon generates mixed self-assemblies composed of a stack of peptide bilayers sandwiched by lipids bilayers. These stacks wrap into an Archimedian spiral which is a regular spiral with a constant step. In these mixed assemblies, the peptide is organized in a new architecture compared to the self-assemble nanotubes. This new structure has been characterized and solved in this study.In the case of neutral membrane-Lanreotide mixture, the peptide partitions between water and lipids. This observation suggests that in this condition the peptide is able to cross the membranes. The peptide-membrane interaction also decreases the critical concentration of the peptide.

Les virus bactériens (bactériophages), durant leur co-évolution avec les bactéries, ont su trouver de nombreuses voies pour détourner les machineries cellulaires dans le but de se multiplier efficacement. L’infection par le phage dès son entrée dans le cytoplasme est un bouleversement pour la bactérie en termes de ressources monopolisées à ses dépens et probablement de restructuration de l’espace cytoplasmique. Dans ce travail de thèse, l’impact de l’infection de la bactérie Gram-positive Bacillus subtilis par le bactériophage SPP1 a été étudié.La réplication de l’ADN est initiée par des protéines précoces virales. Elle mène au chargement de l’hélicase virale gp40 sur l’origine de réplication de SPP1 dont les brins d’ADN ont été ouverts par la protéine de liaison à l’origine, gp38. Le réplisome bactérien est ensuite recruté de manière massive au sein de l’usine de réplication formant un foyer défini dans le cytoplasme bactérien. L’interaction de gp40 avec les protéines cellulaires DnaX et DnaG assure fort probablement le recrutement du complexe cellulaire au foyer de réplication. La quantité d’ADN viral synthétisée représente presque 500 copies d’ADN viral par bactérie après 30 minutes d’infection, ce qui est équivalent à la taille de 5 génomes de B. subtilis. Des études de FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) montrent que l’usine de réplication est très dynamique. Ce comportement est inhibé par la présence de HPUra montrant qu’il dépend de la présence d’un réplisome actif.Les concatémères résultant de la réplication de l’ADN viral sont le substrat pour l’encapsidation du génome de SPP1 dans des procapsides préformées. La maturation de ces procapsides en particules virales infectieuses suit une voie d’assemblage spécifique. Deux protéines rapportrices de différentes étapes de cette voie ont été suivies : la protéine d’échafaudage gp11, présente à l’intérieur de la procapside avant encapsidation de l’ADN, et la protéine auxiliaire gp12, qui se fixe à la surface de la capside pendant l’encapsidation. Les procapsides colocalisent partiellement avec l’usine de réplication du génome viral. Après encapsidation de l’ADN, les capsides vont s’accumuler dans des foyers de stockage qui ont une localisation indépendante du foyer de réplication. Cette organisation est également observée dans des bactéries très allongées où deux régions de stockage sont retrouvées situées de part et d’autre de l’usine de réplication mais éloignées des pôles cellulaires. La microscopie électronique combinée à des immuno-marquages révèlent que cette compartimentation corrèle avec une réorganisation majeure de l’ultrastructure du cytoplasme bactérien.L’assemblage et la dynamique des foyers viraux dans la bactérie ont été suivis pendant toute la durée du cycle viral dans un système de microfluidique. Elle montre que les étapes de réplication de l’ADN viral et la formation de la particule du phage sont des processus compartimentés dans le cytoplasme de la bactérie tant spatialement que temporellement. Bien que la croissance cellulaire soit retardée, les bactéries continuent de s’allonger et de se diviser pendant l’infection par SPP1. Le virus exploite donc de manière efficace les machineries cellulaires et l’architecture de la bactérie pour une multiplication optimale. Ces stratégies sont probablement utilisées par de nombreux phages pour remodeler la cellule bactérienne à leur avantage. / During the co-evolution of viruses and cells, viruses exploited numerous ways to hijack cell machineries for their optimal multiplication and dissemination. Phage infection is a major challenge to bacteria, exploiting extensively cellular biosynthetic ressources and possibly re-organizing the cytoplasm space. The work in this thesis investigated the cellular impact of infection by SPP1, a well-characterized model tailed bacteriophage that infects the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis.Viral DNA replication is initiated by early phage proteins whose activity culminates in loading of the SPP1 helicase gp40 at the melted phage origin of replication. The bacterial replisome is then massively recruited to the phage replication factory that is localized at a defined position of the cytoplasm. The interaction of gp40 with its two cellular partners DnaX and DnaG mediates most likely the hijacking of the B. subtilis replication machinery. More than 500 copies of the viral genome are synthesized within 30 minutes after initiation of infection, which is roughly the equivalent to five B. subtilis genomes. FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) experiments showed that the viral DNA factory is highly dynamic, a behavior that depends on active DNA replication.The concatemers resulting from DNA replication are the substrate for encapsidation of the SPP1 genome into preformed procapsids. Maturation of procapsids to infectious viral particles follows a defined pathway. The SPP1 scaffolding protein gp11, that occupies the interior of the procapsid before DNA packaging, and gp12, that binds to capsids during DNA packaging, were followed to dissect the steps of this process. Procapsids partially co-localize with DNA replication factories. After packaging the DNA-filled capsids fully segregate to spatially distinct warehouses where viral particles accumulate. Recruitment of SPP1 proteins to these compartments recapitulates the sequential order of their assembly to build the viral particle. The replication factory is most frequently flanked by two warehouses. Such pattern is also observed in very elongated cells where the viral compartments remain localized nearby each others and far from the bacterial poles. Immuno-electron microscopy of cryo-sections from infected cells highlights a complete remodelling of the bacterial cytoplasm dedicated to virus multiplication.The assembly and dynamics of the SPP1 replication factory and virions warehouses were visualized during the complete phage infection cycle in microfluidics experiments. The viral compartments are well individualized in the cytoplasm both in terms of space and time. Although bacterial growth is retarded, cells continue to elongate and to divide during SPP1 infection. Structuration of viral factories appears as a very efficient way for SPP1 to exploit bacterial resources and cytoplasmic space to optimize its multiplication. This strategy might be widely used by phages for remodelling the bacterial cell.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de la réplication chez les archées, qui constituent le troisième domaine du vivant avec les bactéries et les eucaryotes. L’organisme modèle que nous avons utilisé est l'archée halophile Haloferax volcanii car les outils génétiques disponibles permettent d’exprimer des protéines fusionnées à la Protéine Fluorescente Verte (GFP) dans cet organisme mésophile et aérobe et ainsi de localiser les protéines d’intérêt dans des cellules vivantes. Nous nous sommes ainsi intéressés à la localisation cellulaire de quatre protéines de la réplication qui ont été fusionnées à la GFP et exprimées sous contrôle de leur propre promoteur : (i) la protéine ‘Flap Endonuclease 1’ (FEN1), qui intervient dans la maturation des fragments d’Okazaki, (ii) la protéine ‘Origin Recognition Complex’ (ORC1) impliquée dans la reconnaissance des origines de réplication, (iii) la protéine ‘Proliferating Cellular Nuclear Antigen’ (PCNA), anneau de processivité des ADN polymérases réplicatives, et (iv) la protéine de fixation à l’ADN simple-brin ‘Replication Protein A’ (RPA2) essentielle à la réplication chez H. volcanii. Seule la protéine PCNA n’a pu être exprimée en fusion avec la GFP, suggérant que la protéine fusion n’est pas fonctionnelle. GFP::Orc1 et GFP::Fen1 ont été exprimées dans la cellule mais ne présentent pas de localisation spécifique reflétant un rôle de ces protéines dans la réplication de l’ADN. En revanche des foyers de fluorescence de la protéine fusion GFP::Rpa2 ont été observés, dont le nombre augmente significativement dans des cellules exposées à l’aphidicoline, drogue inhibant la synthèse de l’ADN et induisant ainsi un stress réplicatif. Cependant une localisation différente de la protéine GFP::Rpa2 a été observée lorsque les cellules sont exposés à la phléomycine, qui induit notamment des cassures double-brin de l‘ADN. Dans ces cellules, GFP::Rpa2 forme un foyer de fluorescence massif qui colocalise avec l’ADN compacté dans la grande majorité des cellules observées. Nos résultats suggèrent donc que la localisation spécifique observée pour GFP::Rpa2 reflète son rôle dans la réparation de l’ADN et/ou le redémarrage des fourche de réplication arrêtées. / The aim of this thesis project was to improve our understanding of DNA replication in archaea, the third domain of life with bacteria and eukarya. The model organism chosen for these studies is the halophilic archaea Haloferax volcanii, a mesophilic aerobe for which genetics tools allow studying in living cells the localization of proteins fused to the Green Fluorescent protein (GFP). Four proteins involved in DNA replication were fused to the GFP and expressed under the control of their own promoter: (i) the ‘Flap Endonuclease 1’ (FEN1), involved in Okazaki fragments maturation, (ii) the ‘Origin Recognition Complex’ (ORC1), involved in DNA replication origin recognition, (iii) the ‘Proliferating Cellular Nuclear Antigen’ (PCNA), processivity factor of replicative DNA polymerases, and (iv) the ‘Replication Protein A’ (RPA2), single-stranded DNA binding protein essential for DNA replication in H. volcanii. Only the PCNA fusion to the GFP was not successful, suggesting that the GFP hinders essential roles of PCNA in DNA replication. Fen1 and Orc1 were successfully fused to the GFP and expressed in living cells, but specific localization in cells related to growth phase, reflecting different replication dynamics, were not observed. In contrast, we could observed fluorescent foci formed by the fully functional GFP::Rpa2 protein that actively responded to DNA damage in H. volcanii cells. The number of these fluorescent foci per cell was constant during cell growth but it significantly increased in cells exposed to aphidicoline, which inhibits DNA synthesis during replication. When cells were treated with phleomycine, a DNA damaging agent mainly causing double-strand breaks, formation of a massive fluorescent focus coinciding with DNA compaction was observed. Our results suggest that the specific cellular localization of GFP::Rpa2 observed reflects Rpa2 roles in DNA repair and/or DNA replication fork restart.

Ce travail de thèse est dédié à la visualisation par microscopie optique des transitions de phases, thermo- et photo-induites dans des monocristaux à transition de spin. L’étude des cristaux du composé [{Fe(NCSe)(py)2}2(m-bpypz)] a permis de montrer la possibilité de contrôler la dynamique de l’interface HS/BS (haut spin/bas spin) par une irradiation lumineuse appliquée sur toute la surface du cristal ou de manière localisée. Les investigations expérimentales menées sur l’effet de l’intensité de la lumière sur la température de transition ont mis en évidence d’une part l’importance du couplage entre le cristal et le bain thermique, et d’autre part le rôle de la diffusion de la chaleur dans le monocristal. En parallèle, un modèle basé sur une description de type Ginzburg-Landau, a permis de mettre sur pied une description de type réaction diffusion des effets spatio-temporels accompagnant la transition de spin dans un monocristal. Celui-ci a permis d’identifier et de comprendre le rôle des paramètres pertinents entrant en jeu dans le contrôle du mouvement de l’interface HS/BS. Les résultats obtenus sont très encourageants et reproduisent avec une grande fidélité les données expérimentales. Cependant l’origine de l’orientation de l’interface HS/BS observée par microscopie optique dans les cristaux du composé [{Fe(NCSe)(py)2}2(m-bpypz)] était restée mystérieuse. Pour résoudre cette question, nous avons développé un modèle électro-élastique qui tient compte du changement de volume au cours de la transition de spin. Ce dernier nous a conduits à analyser l’effet de la symétrie du réseau cristallin et de la forme du cristal sur l’orientation de l’interface élastique. En l’appliquant au composé [{Fe(NCSe)(py)2}2(m-bpypz)], en tenant compte du caractère anisotrope du changement de la maille élémentaire lors du passage HSBS, nous avons réussi à retrouver quantitativement l’orientation du front observée expérimentalement en microscopie optique. Ceci confirme bien le rôle primordial de l’élasticité dans le comportement des matériaux à transition de spin. Des études sous lumière à très basse température nous ont donné la possibilité de suivre en temps réel, l’effet LIESST (Light Induced Excited Spin State Trapping), la re-laxation coopérative du cristal ainsi que l’instabilité photo-induite LITH (Light Induced Thermal Hysteresis). Un monde fascinant est apparu autour de cette dernière, avec la présence de comportements totalement inédits. Ainsi, et pour la première fois, nous avons mis en évidence l’existence de phénomènes d’auto-organisation et de comportements autocatalytiques du front de transition. Cette physique non-linéaire dénote un comportement actif du cristal, par suite d’une subtile préparation autour d’un état instable. Ces comportements rappellent les structures dissipatives de Turing et ouvrent des perspectives fascinantes pour cette thématique, tant sur le plan expérimental que théorique. / This thesis work is devoted to visualization by optical microscopy of thermo- and photo-induced phase transitions, in switchable spin transition single crystals. The study of crystals of the compound [{Fe (NCSe) (py) 2} 2 (m-bpypz)] showed the possibility to control reversibly the dynamics of the HS/LS interface through a photo-thermal effect generated by an irradiation of the whole crystal or using a spatially localized light spot on the crystal surface. The investigations of the effect of the light intensity on the transition temperature have highlighted the importance of the coupling between the crystal and the thermal bath in these experiments. Concomitantly, we developped a reaction diffusion model allowing to describe and iden-tify the relevant physical parameters involved in the control of the movement of HS/LS interface. The obtained results are very encouraging and reproduce the main features of the experimental data. However the origin of the interface orientation observed by the optical microscopy in the crystal of the compound [{Fe (NCSe) (py) 2} 2 (m-bpypz)] re-mained mysterious, and needed an elastic approach to be handled. At this end, an electro-elastic model including the volume change at the spin transition was developed. By taking into account for the anisotropy of the unit cell deformation at the transition, we were able to reproduce quantitatively the experimental HS/LS interface orientation. This result confirms the crucial role of the lattice symmetry and its elastic properties in the emergence of a stable interface orientation. The last part of the thesis is devoted to the investigation of photo-induced effects at very low temperatures (~10K). There, we visualized for the first time the real time transformation of a single crystal under LIESST (Light Induced Excited Spin State Trapping) effect as well as its subsequent relaxation at higher temperatures. We have also studied the light induced instabilities through investigation on the LITH (Light Induced Thermal Hysteresis) loops. Around the latter, a fascinating world made of nonlinear effects, and patterns formation emerged, recalled the well known Turing structures. These results lead to new horizons that will give access to new theories and original experimental observations that will enrich the topics opening the new avenues to study of nonlinear phenomena in spin crossover solids.

Ces dernières années ont été marquées par de grandes évolutions technologiques à travers notamment une course à la miniaturisation. De gros efforts de recherche se concentrent en particulier sur le domaine de l’électronique organique mais aussi sur de nouveaux matériaux bidimensionnels comme le graphène. Ces matériaux 2D présentent des propriétés physiques exceptionnelles et sont des candidats prometteurs pour le développement de futurs dispositifs électroniques. Au cours de cette thèse, l’approche ascendante, qui consiste à assembler ensemble des petites briques élémentaires, a été utilisée pour élaborer des nanostructures bidimensionnelles originales sur des surfaces. Des états électroniques localisés dus à un couplage électronique latéral particulier entre les molécules ont été observés. Quatre nanoarchitectures hybrides ioniques-organiques différentes ont été réalisées en faisant varier la température de la surface. Des nanostructures organiques covalentes ont aussi été élaborées par une réaction de couplage d’Ullmann sur la surface. Deux précurseurs différents en forme d’étoile avec des substituants iodés et bromés respectivement, ont été étudiés. De grandes nanostructures carbonées hexagonales poreuses ont notamment été synthétisées en faisant varier la température du substrat. Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour la réalisation de matériaux organiques bidimensionnels aux propriétés contrôlées. / Over the last few years, important technological developments were made following a trend towards miniaturization. In particular, lots of research efforts are put into the research on organic electronics and on 2D materials like graphene. Such 2D materials show great physical properties and are promising candidates for the development of future electronic devices.In this project, bottom-up approach consisting in assembling elementary building blocks together, was used to engineer novel twodimensional nanostructures on metal surfaces. The properties of these two-dimensional nanostructures were investigated using Scanning Tunneling Microscopy (STM) and X-ray Photoemission Spectroscopy (XPS). Two-dimensional nanostructures based on the self-assembly of organic building blocks stabilized by intermolecular interactions were engineered. In particular, nanostructures stabilized by hydrogen bonds, halogen bonds and ionic-organic interactions were investigated. Localized electronic states due to specific molecular lateral electronic coupling were observed. Four different ionic-organic nanoarchitectures were engineered varying the substrate temperature. Covalent organic nanostructures were also engineered by onsurface Ullmann coupling reaction. Two different star-shaped precursors with iodine and bromine substituents respectively, were investigated. Large periodic porous 2D covalent hexagonal carbon nanostructures weresuccessfully engineered by temperature driven hierarchal Ullmann coupling. These results open new perspectives for the development of 2D organic materials with controlled structures and properties.

Ce manuscrit détaille le développement d'un montage de pince optique permettant d'étudier les propriétés mécaniques des cellules endothéliales, impliquées dans le développement de l'athérosclérose. Le but est de déterminer les propriétés viscoélastiques des cellules, et de suivre la propagation d’une contrainte mécanique au sein de la cellule. Cette contrainte mécanique est appliquée via une bille liée à la membrane de la cellule et soumise à un piège optique.Le dispositif réalisé combine le piégeage optique et la microscopie à contraste de phase, permettant d'exercer une force tout en imageant les cellules via le même objectif de microscope. L'originalité du montage de pince optique repose sur la détection du signal rétrodiffusé par la bille piégée, dans un plan conjugué du plan focal arrière de l'objectif, afin de mesurer la position relative de la bille par rapport au piège.Une part importante de ce travail a consisté à comprendre l'allure du signal détecté présentant un système d'interférences en anneaux, et à l’expliquer par un modèle simple. Ce modèle a permis de comprendre la présence d’artefacts de mesure de position dus à la superposition de l'anneau de phase sur la figure d’interférence. Pour y remédier, l'anneau de phase est déporté dans un plan conjugué intervenant uniquement dans l'imagerie de l'échantillon.La figure d'interférence présente un atout majeur : elle donne accès à la hauteur précise de la bille piégée, généralement difficile à mesurer. Cette information est nécessaire pour calibrer la constante de raideur du piège optique à la hauteur des cellules, que ce soit par l'analyse de la densité spectrale de puissance du mouvement brownien de la bille piégée ou par sa réponse à un échelon de position du piège. Ces deux méthodes de calibration, ainsi que l'application du théorème d’équipartition et l'analyse par inférence bayésienne, ont été mises en œuvre. Tous les résultats s'avèrent en bon accord. La calibration complète du dispositif en fait un outil prêt à l'emploi pour exercer des forces locales contrôlées en direction et en amplitude sur les cellules. / This manuscript details the development of an optical tweezer setup to study the mechanical properties of endothelial cells, involved in the development of atherosclerosis. The goal is to determine the viscoelastic properties of the cells, and to follow the propagation of the mechanical constraint inside the cell. This mechanical constraint is applied via a bead attached to the cell membrane and subjected to an optical trap.The setup built combines optical trapping with phase contrast microscopy, to apply a force while imaging the cells with the same microscope objective. The originality of the optical tweezer setup relies on the detection of the signal backscattered by the trapped bead, in a plane conjugate to the back focal plane of the objective, in order to measure the relative position of the bead with respect to the center of the trap.An important part of this work was dedicated to the understanding of the detected signal presenting an interference pattern with rings, explained by a simple model. This model provides an explanation for the position measurement artifacts arising from the superposition of the phase ring and the interference pattern. To solve the problem, the phase ring was moved in a conjugate plane involved only in the imaging path of the sample.The interference pattern has the main advantage of giving access to the precise height of the trapped bead, usually difficult to measure. This information is necessary to calibrate the optical trap stiffness at the height of the cells, either by the power spectrum analysis of the Brownian motion of the trapped bead, or by its response to a step motion of the trap. These two calibration methods, along with the application of the equipartition theorem and Bayesian inference analysis, were implemented and their results compared, showing a good agreement. The complete calibration of the setup makes it a ready-to-use tool to exert local forces controlled in direction and amplitude on cells.

Ce travail de thèse a pour but de montrer comment des caractérisations nanomécaniques en AFM peuvent apporter une meilleure compréhension des relations structure-propriétés dans les polymères. Dans ce contexte, la technique elle-même et sa base théorique sont d'abord analysées pour mettre en œuvre une méthodologie robuste afin d'effectuer des mesures reproductibles. Deux études principales sont menées sur un thème commun : la compréhension des interactions entre les biopolymères et les liquides ioniques (ILs). Tout d'abord, la compatibilisation des mélanges PBAT/PLA par deux ILs différents (à savoir il-Cl et il-TMP) est étudiée. Les images AFM d'adhésion et de module local mettent en évidence les différentes microstructures, et soulignent que la compatibilisation résulte principalement d'une modification de l'interface PBAT/PLA, devenant une interphase cohésive. Ceci est dû à une interaction spécifique avec les cations et les anions de chaque liquide ionique, qui se situent préférentiellement au niveau de ces interphases. La deuxième étude porte plus précisément sur la modification du PBAT semi-cristallin par de petites quantités des mêmes liquides ioniques. Alors que il-TMP forme des nodules dissipatifs dispersés dans la matrice et une interphase cohésive avec celle-ci, il-Cl, miscible dans la phase amorphe du PBAT, augmente la mobilité de la chaîne dans la MAF (i.e. fraction amorphe mobile) et l'entrave dans la RAF confinée (i.e. fraction amorphe rigide), conduisant à des modifications intéressantes des propriétés macroscopiques. En plus de montrer certaines capacités intéressantes des ILs comme additifs dans les polymères, ces résultats dévoilent également un potentiel exceptionnel des caractérisations nanomécaniques en AFM pour la compréhension en profondeur des relations structure-propriétés dans les matériaux. / This thesis work aims to show how nanomechanical characterizations in AFM can provide a better understanding of structure-properties relationships in polymers. In this context, the technique itself and the associated theoretical basis are first analyzed to implement a robust methodology in order to perform reproducible, quantitative measurements. Two main studies are carried out around a common topic: the understanding of the interactions between biopolymers and ionic liquids (ILs). First, the compatibilization of PBAT/PLA blends by two different ILs (namely il-Cl and il-TMP) is studied. Adhesion and local modulus mappings evidence the resulting microstructures, and highlight that the compatibilization mainly results from a modification of the PBAT/PLA interface, becoming a coherent interphase. This is due to specific interaction with the cations and the anions of each IL, which are preferentially located at those interphases. The second study is more specifically about the understanding of the modification of semicrystalline PBAT by the addition of small amounts of the same ionic liquids. While il-TMP forms dissipative nodules dispersed into the matrix with a cohesive interphase between both, il-Cl, miscible into the amorphous phase of PBAT, amplifies the chain mobility in the bulky MAF (i.e. Mobile Amorphous Fraction) and hinders it in the confined RAF (i.e. Rigid Amorphous Fraction), leading to interesting macroscopical properties modifications. More than showing some interesting capabilities of ILs as additives in polymers, those results also show an outstanding potential of AFM nanomechanical mappings for the in-deep understanding of structure-properties relationships in materials.

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie neurodégénérative du système nerveux central (SNC) caractérisée par une démyélinisation, une perte axonale, une activation des cellules gliales et une accumulation de cellules immunitaires dans le parenchyme cérébral. Les lymphocytes T (LT) jouent un rôle clé dans la mise en place d’un tel environnement neuroinflammatoire. Notre compréhension des mécanismes impliqués dans le dialogue entre les LT et les astrocytes reste cependant incomplète. Les astrocytes représentent les premières cellules que rencontrent les LT lors de leur migration dans le parenchyme cérébral. Cette interaction est essentielle et peut être modulée par différents processus inflammatoires. Afin d’étudier comment l’inflammation modifie la rencontre des LT avec les cellules neurales, nous avons développé un modèle de co-culture de cellules neurales primaires humaines et de LT CD8+ humains permettant la visualisation de ces interactions par la microscopie en temps réel. Le suivi vidéo des LT a permis de montrer que la réponse des astrocytes et des neurones à la cytokine pro-inflammatoire IL-1β augmente la motilité des LT. L’analyse visuelle appuyée par une analyse statistique de différents paramètres spatiotemporels a montré que les LT adoptent des comportements différents associés à des interactions stables de type synapse ou dynamiques de type kinapse. Nous avons montré que l’inflammation des astrocytes affecte la dynamique de certains comportements et que l’expression des molécules du CMH de classe I par les astrocytes contribue à la mise en place des comportements de type synapse. Parmi les cytokines impliquées dans la physiopathologie de la SEP, l’interleukine-27 (IL-27) semble être associée à des effets bénéfiques en modulant l’activité des cellules immunitaires périphériques. Notre équipe a démontré que dans le cerveau des patients atteints de la SEP, des niveaux élevés d’IL-27 sont observés ainsi que la présence de son récepteur (IL-27R) sur des astrocytes et des lymphocytes T infiltrants. Afin d’évaluer l’impact de l’IL-27 sur les astrocytes humains, nous avons réalisé une analyse transcriptomique des astrocytes exposés à l’IL-27. Les astrocytes exposés à l’IL-27 augmentent l’expression de gènes impliqués dans la modulation de la réponse inflammatoire. La co-culture de ces cellules gliales avec des LT CD4+ et CD8+ a démontré que les astrocytes exposés à l’IL-27 modifient l’expression de facteurs de transcription impliqués dans la polarisation des LT, ainsi que l’expression de molécules impliquées dans la réponse immunitaire. Enfin, l’utilisation de notre modèle de microscopie sur cellules vivantes a révélé que les astrocytes exposés à l’IL-27 augmentent la motilité des LT CD8+ provenant de patients atteints de la SEP et de donneurs sains, mais que les LT provenant des patients présentent une motilité accrue comparés aux LT de donneurs sains. En conclusion, nos résultats fournissent de nouveaux éléments permettant de mieux comprendre l’interaction des LT avec des astrocytes et des neurones humains. Ces résultats soulignent l’importance de la réponse des astrocytes à différentes cytokines et leur implication dans la modulation de la réponse des LT dans des conditions physiologiques et pathologiques comme la SEP. / Multiple sclerosis (MS) is a neurodegenerative disease of the central nervous system (CNS) characterized by an important demyelination, axonal loss, glial activation and accumulation of immune cells in the brain parenchyma. Among immune infiltrating cells, T lymphocytes are key players of the neuroinflammatory processes observed in MS. Our understanding of the dialogue between T lymphocytes and astrocytes in this context of neuroinflammation is still incomplete. Upon their entry in the CNS, T lymphocytes come into close contact with astrocytes. This physical and molecular interaction can be modulated by the inflammatory context. In order to study how inflammatory context affects the interactions of human T lymphocytes with human neural cells, we have developed a co-culture model allowing the visualization of T lymphocytes interacting with primary human astrocytes and neurons using time lapse microscopy. Individual T lymphocyte tracking showed that astrocytes and neurons exposed to the pro-inflammatory cytokine IL-1β increase T lymphocyte motility. Visual interpretation supported by statistical analysis of T lymphocytes spatio-temporal variables allowed us to identify four different behaviors that can be associated to stable synapse-like interactions or dynamic kinapse-like interactions. Finally, we showed that inflammation of astrocytes specifically affects T cell behaviors and that MHC class I expression by inflamed astrocytes is implicated in synapse-like behaviors. Among the cytokines implicated in MS physiopathology, the interleukine-27 (IL-27) has been associated with beneficial effects by modulating peripheral immune cell activity. Our group has shown that IL-27 is elevated in the brain of MS patients and that both astrocytes and infiltrating T lymphocytes express the receptor of IL-27. To evaluate the impact of IL-27 on human astrocytes, we analyzed gene and protein expression of astrocytes exposed to IL-27. We found that most of the IL-27-induced differentially expressed genes in astrocytes are involved in immune responses and immune modulation. Moreover, IL-27-exposed astrocytes when co-cultured with CD4+ and CD8+ T lymphocytes specifically induce the expression of transcriptional factors involved in T lymphocytes polarization and surface molecules that can actively modulate immune processes. Finally, using our live imaging co-culture model, we showed that IL-27-treated astrocytes increase the motility of CD8+ T lymphocytes from healthy donors and MS patients. Notably, T lymphocytes form MS patients have an increased motility compared with those from healthy donors after contact with IL-27-treated astrocytes. In conclusion, our results provide a better understanding of the complex dialogue between human T lymphocytes and human astrocytes and neurons and highlight the role of neural cell responses to different cytokines in physiological and pathological conditions.

L’imagerie biomédicale d’élastographie, visant à cartographier les propriétés mécaniques des tissus mous, est explorée à travers des approches multiphysiques et multimodales regroupant la microscopie optique d’une part et l’imagerie par résonance magnétique associée à la stimulation électrique d’autre part. Tout d’abord, une méthode de génération d’ondes élastiques, nécessaires aux expériences d’élastographie par résonance magnétique (ERM), suivant une approche de stimulation in situ est présentée. Cette dernière repose sur l’induction de forces de Lorentz, sources de mouvement, dans un matériau soumis à une stimulation électrique et exposé au champ magnétique d’un système d’imagerie par résonance magnétique (IRM). Un dispositif expérimental d’ERM par force de Lorentz est proposé et testé avec des fantômes de gélatine de différentes rigidités. Le champ ondulatoire mesuré est démontré provenir de la force de Lorentz établie au sein des échantillons et a permis la reconstruction d’images de rigidité au moyen d’un algorithme d’inversion habituellement appliqué au traitement de données cliniques. La faible amplitude des déplacements capturés suggère toutefois que les déformations induites seraient difficilement mesurables par ERM dans des conditions de stimulation électrique sûres. Si cette caractéristique questionne la faisabilité de l’ERM par force de Lorentz, elle ouvre la voie à l’application simultanée de l’ERM conventionnelle et de la stimulation électrique dans une même région d’intérêt, permettant l’analyse de la réponse biomécanique de tissus biologiques à une stimulation électrique. Cet aspect est abordé à travers une étude numérique de stimulation transcrânienne par courant alternatif associée à l’ERM dans un modèle 3D de cerveau de souris. L’impact des forces de Lorentz, inhérentes à cette combinaison, sur les reconstructions de viscoélasticité est étudié via un algorithme d’inversion non-linéaire par sous-zones. Un volet d’imagerie de la conductivité ohmique par résonance magnétique est incorporé aux simulations de façon à approximer la distribution de courant électrique induit par stimulation. L’union de ces différentes approches pourrait être pertinente dans le cadre de la caractérisation du cerveau et révéler davantage de mécanismes physiologiques ensemble qu’individuellement. Dans un second temps, l’évaluation de la viscoélasticité des tissus biologiques est abordée à l’échelle de la cellule grâce à la micro-élastographie optique. Cette approche repose également sur la génération, la mesure et l’analyse d’ondes élastiques harmoniques dans le milieu sondé et est appliquée à des ovocytes de souris d’un diamètre avoisinant 85 µm. Les déformations locales sont mesurées dans le plan des images expérimentales acquises à une fréquence de 200 kHz et sont traitées par un modèle de déplacements 3D exploitant la symétrie planaire des ovocytes imagés. La reconstruction de cartes de viscoélasticité est assurée par l’algorithme itératif d’inversion non-linéaire par sous-zones, emprunté à l’élastographie par résonance magnétique. Les images de module de stockage produites démontrent un niveau de précision supérieur aux images obtenues par inversion directe, sur la base de différentiabilité des structures internes de l’ovocyte. La génération inédite d’images du module de perte dans de telles cellules et la robustesse de l’ensemble de cette approche sont des indicateurs encourageant d’une éventuelle applicabilité future aux procédures de fécondation in vitro. / Biomedical elastography imaging, aiming at mapping the mechanical properties of soft tissues, is explored through multiphysical and multimodal approaches combining optical microscopy on one hand and magnetic resonance imaging associated with electrical stimulation on the other hand. First, a method for generating elastic waves, necessary for magnetic resonance elastography (MRE) experiments, following an in situ actuation approach is presented. The latter is based on the induction of Lorentz forces, sources of motion, in a material subjected to an electrical stimulation and exposed to the magnetic field of a magnetic resonance imaging (MRI) system. An experimental set-up for Lorentz force MRE is proposed and tested with gelatin phantoms of different stiffness. The measured wave field is shown to originate from the Lorentz force established within the samples and allowed the reconstruction of stiffness images using an inversion algorithm typically applied to clinical data processing. The small amplitude of the captured displacements, however, suggests that the induced deformations would be difficult to measure by MRE under safe electrical stimulation conditions. If this characteristic questions the feasibility of Lorentz force MRE, it opens the way to the simultaneous application of conventional MRE and electrical stimulation in the same region of interest, allowing the analysis of the biomechanical response of biological tissues to electrical stimulation. This aspect is addressed through a numerical study of transcranial alternating current stimulation associated with MRE in a 3D mouse brain model. The impact of Lorentz forces, inherent to this combination, on viscoelasticity reconstructions is studied via a nonlinear subzone inversion algorithm. A magnetic resonance imaging component of the ohmic conductivity is incorporated into the simulations in order to approximate the electrical current distribution induced by stimulation. The union of these different approaches could be relevant for the characterization of the brain and may reveal more physiological mechanisms together than individually. In a second step, the evaluation of the viscoelasticity of biological tissues is approached at the cell level using optical microelastography. This approach is also based on the generation, measurement and analysis of harmonic elastic waves in the probed medium and is applied to mouse oocytes with a diameter of about 85 µm. Local deformations are measured in the plane of the experimental images acquired at a frequency of 200 kHz and are processed by a 3D displacement model exploiting the planar symmetry of the imaged oocytes. Viscoelasticity maps are reconstructed using the iterative subzone nonlinear inversion algorithm borrowed from magnetic resonance elastography. The storage modulus images produced demonstrate a higher level of accuracy than images obtained by direct inversion, based on the differentiability of the internal structures of the oocyte. The novel generation of loss modulus images in such cells and the robustness of the overall approach are encouraging indicators of potential future applicability to in vitro fertilization procedures.