Résumé non communiqué par le doctorant. / Résumé non communiqué par le doctorant.

Ce projet de recherche conjugue deux aspects complémentaires : le développement d’un montage de microscopie intégrant un système d'Optique Adaptative (OA) et l’étude de masses cancéreuses (Sphéroïdes Multicellulaires) sous pression mécanique.Ces deux axes seront mutuellement bénéfiques puisque l’implémentation de l’OA rendra possible l’imagerie et les mesures physiques au sein des sphéroïdes ; d’un autre côté, l’étude des sphéroïdes permettra de caractériser les aberrations induites par ce type d’échantillons et de mieux comprendre les exigences sur le système d’OA qu’imposent l’observation de ces échantillons ainsi que les limites de la microscopie optique dans les tissus biologiques. / This research project combines two complementary aspects: the development of an assembly incorporating an Adaptive Optics microscope system and the study of cancerous masses (multicellular spheroids) under mechanical pressure.These two axes are mutually beneficial since the implementation of the adaptive optics will enable imaging and physical measurements in spheroids; On the other hand, the study of spheroids will characterize the aberrations induced by this type of samples and understand the requirements of the adaptive optics system imposed by the observation of these samples as well as the limits of optical microscopy in biological tissues.

L’imagerie en profondeur in vivo à deux photons est sévèrement limitée par les aberrations optiques. L'optique adaptative est maintenant une technique largement utilisée pour résoudre ce problème. Elle repose sur une des nombreuses techniques possibles de mesure de front d'onde. L'estimation du front d'onde indirecte ou sensorless présente l'avantage d'être facile à mettre en œuvre sur les systèmes existants.L'approche modale sensorless, développée initialement pour l’imagerie à deux photons par Débarre et al., est devenue une technique standard fondée sur la maximisation d'une métrique de qualité d'image telle que l'intensité moyenne de l'image.Cependant, le front d'onde indirectement inféré est influencé par l'échantillon, qui peut induire un biais fort dans l'estimation. Cet effet est connu sous le nom de dépendance en l'échantillon.Ce travail de doctorat vise à développer une approche modale sensorless améliorée qui n'est pas affectée par la dépendance en l'échantillon. J'ai d'abord étudié l'impact des aberrations et de la structure de l'échantillon sur l'intensité moyenne de l'image.Je donne une nouvelle expression analytique de l'intensité moyenne de l'image est donnée qui rend explicite l'interaction entre la forme de la PSF 3D et la distribution spatiale de l'échantillon. À partir de simulations numériques, je montre que la sensibilité de la métrique aux aberrations est préservée pour des échantillons beaucoup plus grands que la résolution spatiale. Deuxièmement, j'étudie l'approche Standard Modal Sensorless (SMS) pour différents types d'échantillons.Je caractérise le problème de la dépendance en l'échantillon induit par des structures très fluorescentes situées hors de la profondeur de focalisation.Ensuite, je montre que la technique displacement-free n’élimine pas complètement la dépendance en l'échantillon.Cette analyse aboutit au développement de notre approche nommée Axially-Locked Modal Sensorless (ALMS). Cette nouvelle approche résout la dépendance en l'échantillon par un réglage automatique et contrôlé de la profondeur de focalisation afin de verrouiller la focalisation sur des motifs brillants de l'échantillon. En outre, l'approche ALMS se fonde également sur une métrique de qualité d'image spécialement conçue pour ce verrouillage. La performance de cette approche est numériquement comparée aux approches SMS et displacement-free. Enfin, ALMS est validée par des tests expérimentaux ex vivo et in vivo. / Deep in vivo two-photon microscopy is severely limited by optical aberrations. Adaptive optics is now a widely used technique to overcome this issue. It relies on one of several possible wavefront sensing techniques. Indirect or sensorless wavefront estimation has the advantage of being easy-to-implement on existing systems. Modal sensorless approach, initially developed for two photon imaging by Débarre et al., has become a standard technique based on the maximization of an image quality metric such as the mean image intensity.However, the indirectly inferred wavefront is influenced by the sample, which may induce a strong bias in the estimation, the so-called sample dependence. This PhD work aims at developing an improved modal sensorless approach that is not affected by sample dependence.I first study the impact of aberrations and of the sample structure on the mean image intensity.A new analytical expression of the mean image intensity is given and makes explicit the interplay between the shape of the 3D PSF and the sample spatial distribution. Through numerical simulations I show that the metric sensitivity to aberrations is preserved for samples much larger than the spatial resolution.Secondly, I study the Standard Modal Sensorless (SMS) approach for different sample scenarios. I characterize the sample dependence issue induced by strong fluorescent structures located out-of-focus. Then, I show that the displacement-free technique fails at fully removing the sample dependence. This analysis leads to the development of our Axially-Locked Modal Sensorless approach (ALMS). This new approach solves the sample dependence by an automatic and controlled adjustment of the focusing depth so as to lock on bright sample features. Furthermore, the ALMS approach is based on a specifically designed image quality metric.The performance of this approach is numerically compared with the SMS and the displacement-free approaches. Finally, ALMS is demonstrated through ex vivo and in vivo experimental tests.

Malgré l'enthousiasme croissant pour les nanotechnologies, les nanoparticules (NPs) peuvent interagir avec les systèmes biologiques et affecter leur comportement, et pourraient ainsi présenter un danger pour les écosystèmes et l’Homme. Il est donc essentiel de connaître leurs mécanismes d'interactions afin non seulement de prévenir leurs risques potentiels, mais également de bénéficier de leurs propriétés uniques, par exemple dans la conception des biocapteurs. Dans ce contexte, nous étudions la cytotoxicité des NPs de silice, de tailles et charges diverses, sur les propriétés des bactéries Escherichia coli et Bacillus subtilis, au moyen de la microscopie à force atomique et des tests de viabilité. Les NPs chargées négativement (NPs-) de diamètre inférieur à un diamètre critique φc, 50 - 80 nm, (i) mènent à l'isolation des bactéries E. coli, (ii) induisent une "sphérification" de la cellule initialement en bâtonnet, (iii) provoquent des lésions dans la membrane externe et une réorganisation de sa structure. Pour la bactérie B. subtilis, seule la dégradation de la structure du peptidoglycane a été observée. Cependant, pour les deux souches, une activité antibactérienne a été démontrée pour les NPs- en dessous de φc, qui peuvent conduire à la lyse cellulaire tandis que, au-dessus de φc, les NPs- n’ont aucun effet sur la population, la morphologie ou la structure bactérienne. En ce qui concerne les NPs chargées positivement, elles conduisent, quel que soit leur diamètre, à une forte agrégation des cellules, en raison des interactions électrostatiques, et tendent à favoriser la formation d'invaginations membranaires, ne menant pas nécessairement à la lyse cellulaire. Cette étude fondamentale a mené au développement d’un biocapteur électrochimique pour la détection de bactéries, application notable pour des problèmes biomédicaux, environnementaux et de défense. Les NPs, intégrées à ces outils, offrent un mode de détection rapide, très sensible et peu coûteux. Expérimentalement, une multicouche de polyélectrolytes a été utilisée pour immobiliser des NPs inoffensives (φ = 100 nm), auxquelles sont ensuite fixés des anticorps spécifiques, afin d'améliorer la détection finale de la bactérie E. coli. L’ensemble des étapes a été optimisé par le procédé du spin coating et étudié à l'aide de mesures de microbalance à quartz et de voltametrie cyclique. L’intégration de NPs au biocapteur a permis une détection linéaire et non saturée des bactéries E. coli dans une large gamme de concentration (jusqu’à 10^9 CFU/mL) pour une limite de détection de 10^6 CFU/mL. / Despite the growing enthusiasm for nanotechnologies, nanoparticles (NPs) might put environmental safety and human health at risk, as they can interact with biological systems and affect their behavior. It is therefore essential to know their mechanisms of interactions in order not only to prevent their potential risks but also to benefit from their unique properties, such as in biosensors design. In this context, we study the cytotoxicity of silica NPs, with diverse sizes and charges, on the properties of Escherichia coli and Bacillus subtilis bacteria, by means of atomic force microscopy and viability tests. Negatively charged NPs (NPs-) with a diameter φ lower than a critical diameter φc, 50 - 80 nm, (i) lead to the isolation of E. coli bacteria, (ii) induce a "spherification" of the cell initially rod shaped, and (iii) cause the formation of pore-like lesions in the outer membrane and a reorganization of its structure. For B. subtilis bacteria, only the degradation of the peptidoglycane’s structure was observed. Though, for both strains, an antibacterial activity was shown for NPs- below φc, which potentially lead to the cell lysis whereas, above φc, NPs- have no effect on population, morphology or bacterial structure. As positively charged NPs are concerned, whatever their diameter, they lead to a strong aggregation of the cells, due to electrostatic interactions, and tend to favor the formation of membrane invaginations, not necessarily involving cell lysis. This fundamental study has been used to develop an electrochemical biosensor for bacteria, which are of great importance for biomedical, environmental and defense issues. NPs involved in such tools offer a fast, high-sensitive and low-cost way of detection. A polyelectrolyte multilayer was used to immobilize harmless NPs (φ = 100 nm), which are, then, functionalized with specific antibodies, in order to enhance the final detection of E. coli bacteria. All steps were optimized by a spin coating process and studied through quartz microbalance and cyclic voltametry measurements. Integrating NPs in this biosensor resulted in a linear and unsaturated detection of E. coli bacteria in a wide range of concentration (until 10^9 CFU/mL) and a limit of detection of 10^6 CFU/mL.

Durant les opérations de filtration membranaire, les industries font face à un problème majeur : le colmatage. En particulier, la formation d’un dépôt de particules sur la membrane provoque une chute de sa perméabilité et de sa sélectivité. L’étude a pour but de mieux caractériser la morphologie des dépôts de particules, en lien avec ses propriétés de transport, dans le but d’enrichir les modèles utilisés pour prédire les performances de filtration des dispositifs industriels. Des expériences de filtration de suspensions pures et mixtes de particules inertes et biologiques, sont réalisées sur des microsieves et observées in situ par microscopie confocale. Les propriétés spatiales du dépôt (arrangement des particules, épaisseur, porosité, taux de couverture de la membrane) sont déterminées par traitement d’images et corrélées aux variations de perméabilité. L’influence des paramètres tels que : la taille des particules, la géométrie de la microsieve (taille de pore, distance entre pores) et la nature des particules, est soigneusement analysée. Plusieurs mécanismes physiques sont mis en évidence : - La préfiltration de grosses particules avant la filtration des petites maintient un débit élevé.- Les particules déposées protègent les pores qui leurs sont périphériques lorsque le rapport « taille de particules / taille de pores » est élevé.-Dans les conditions expérimentales étudiées, la morphologie des dépôts de particules inertes et biologiques est identique.- Le dépôt est structuré en trois régions distinctes : une zone de germination en contact avec la membrane, une couche centrale dense, une région de capture superficielle / During the operations of filtration, the industries are facing a major problem: fouling. Indeed, the cake layer build-up on top of the membrane reduces its productivity and selectivity. The aim of this study is to characterize the particle deposit morphology at different operating conditions in order to enhance the models used to predict the filtration performances at the industrial level. Pure and mixed suspensions of inert and biological particles are filtrated with microsieves and observed in situ by Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM). The spatial properties of the cake (particle arrangement, thickness, porosity, microsieve coverage) are determined by image processing and correlated with the permeability reduction. The effect of the parameters such as: the particles size, the microsieve geometry (pore size, pore pitch) and the particles characteristics, is carefully analyzed. Several physical mechanisms are highlighted:- The prefiltration of large particles before the filtration of the small ones maintains a high flux.- Deposited particles protect the surrounding pores when the ratio "particles size/pores size" is high.- In the studied experimental conditions, the cake morphology of the inert and biological particles is similar.- The cake is structured in three regions: germination region in contact with the membrane, a central high particle concentration region and a superficial region, named capture region

La compréhension des propriétés électriques de nano-objets est essentielle pour le développement s des nanotechnologies. La microscopie à force Kelvin (KFM) est une des techniques les plus utiles pour cartographier simultanément la topographie et la différence de potentiel de contact (CPD) à l'échelle nanométrique. Après 20 ans de développement, la KFM est principalement utilisé dans des conditions normales de pression et de température, permettant d'effectuer, de manière simple, de multiples analyses comparatives. Toutefois, sous ultra-vide (UHV), comme la surface est contrôlée et que la sensibilité est meilleure, des mesures plus précises et plus fiables sont réalisables. Dans la première partie, la mesure KFM sous atmosphère ambiante est améliorée en développant la technique simple-passage à la fois en modulation de fréquence (FM) et en modulation d'amplitude (AM). Une électronique externe Nanonis a été adaptée sur les AFMs commerciaux (Dimension 3100 et MultiMode, Bruker). Une étude comparative avec le mode Lift a été réalisée sur des couches de graphène épitaxié sur échantillon de SiC. L'effet de la distance pointe-échantillon sur le contraste et la résolution est décrit ainsi que l'influence des paramètres expérimentaux. Une amélioration significative du contraste et de la résolution est clairement observée sur les résultats obtenus par la technique simple passage en modulation de fréquence, indépendamment de la distance pointe-échantillon. Dans une deuxième partie, la technique KFM est développée sous vide secondaire. Le travail instrumental est réalisé sur un AFM EnviroScope de chez Bruker, qui a été équipé d'une électronique externe Nanonis, permettant de mesurer simultanément la topographie en mode non-contact et la CPD en modulation d'amplitude ou de fréquence. Les résultats montrent que la CPD mesurée est comparable à celle obtenue avec une mesure sous ultravide. Enfin, après avoir posé les bases à la fois expérimentale et théorique de la KFM, cette technique est utilisée pour caractériser les hétérostructures CdTe/CdS en films minces utilisés pour les applications de cellules solaires. Un protocole de préparation d'échantillon sur la tranche a été spécialement développé. L'hétérojonction CdTe/CdS est étudiée sous polarisation à la fois dans l'obscurité et sous éclairement. L'influence de l'épaisseur de la couche de CdS est également étudiée pour comprendre son effet dramatique sur le rendement des cellules solaires. / The development of nanoscience makes the understanding of the electrical properties of nano-objects essential. The Kelvin Force Microscopy (KFM) is one of the most useful techniques to map at the nanoscale and simultaneously both the topography and contact potential difference (CPD). After 20 years of development, KFM is mainly operated under air at normal pressure, allowing to perform, in an easy way, multiple comparative analyses. However, under UHV, as the surface is controlled and the sensitivity improved, more accurate and reliable measurements can be achieved. In the first part, KFM under ambient atmosphere is improved by developing the single-scan method using either a frequency modulation (FM) or an amplitude modulation (AM) mode. An external Nanonis electronic has been implemented on commercial AFMs (Dimension 3100 and MultiMode, Bruker). A comparative study with the common Lift-mode is done by imaging epitaxial graphene layers on SiC sample. The tip-sample separation effect on the CPD contrast and resolution is described as well as experimental settings. It is shown that higher contrasts are obtained using single-scan frequency modulation KFM regardless the tip-sample operating distance. In a second part, the KFM technique under secondary vacuum is developed. The instrumental work is carried out with an EnviroScope AFM from Bruker. We outfitted our Veeco's AFMs with an external Nanonis electronic to perform simultaneously the acquisition of topography and CPD using either the amplitude or the frequency modulation mode. The upgrade of the electronic has raised compatibility issues. Our results show that the comparable results are obtained with KFM under UHV. Finally, having laid down both the experimental and theoretical groundwork of the KFM, this technique is used to characterize CdTe/CdS heterostructures used in thin films solar cell application. A protocol for the cross section sample preparation has been specifically developed. The CdTe/CdS heterojunction is studied under polarization both in dark and under illumination. The influence of the CdS layer thickness is also studied to understand its dramatic effect on the solar cell efficiency.

La majorité des études sur la dynamique des facteurs de transcription en cellules vivantes s'accordent sur une dynamique rapide. Il existe cependant quelques exceptions, comme la dynamique du facteur de transcription HSF « Heat Shock Factor », sur les chromosomes polyténiques de drosophile. Notre projet a consisté à étudier la dynamique d'HSF1 dans des cellules humaines. L'exposition des cellules à un stress tel qu'un choc thermique induit une réponse ubiquitaire et transitoire, dont la fonction est de protéger les cellules contre les effets délétères du stress. Au cours d'un choc thermique, plusieurs phénomènes se produisent : i) un arrêt global de la transcription excepté pour certains gènes tels que ceux codant pour les protéines de choc thermique (HSPs), dont l'expression est sous le contrôle du facteur de transcription HSF1. ii) une activation d'HSF1 qui se relocalise de façon rapide et transitoire sur les corps nucléaires de stress (nSBs), où il induit la transcription des séquences satellite III. Les nSBs forment un site d'activité naturellement amplifié et visible en microscopie. Nous avons utilisé deux techniques complémentaires pour étudier la dynamique d'HSF1 en cellules vivantes : le recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) et la spectroscopie à corrélation de fluorescence multi-confocale (mFCS), qui permet l'analyse FCS en plusieurs points simultanément. En cellules HeLa, la protéine HSF1-eGFP présente une dynamique rapide qui est significativement ralentie suite à un choc thermique. En mFCS, nous avons obtenu des constantes de diffusion de 14 µm²/s avant choc thermique et de 10 µm²/s après choc thermique. En FRAP, le temps de demi-recouvrement est de 0,2 s avant choc thermique, 2,6 s après choc thermique dans le nucléoplasme et 65 s sur les corps nucléaires de stress. Le ralentissement de la dynamique d'HSF1 s'explique par deux phénomènes : i) la formation de complexes de haut poids moléculaire, ii) une augmentation des interactions avec la chromatine. Pour mieux caractériser le changement de dynamique d'HSF1 après choc thermique, plusieurs mutants ont été analysés. Le domaine de trimérisation est indispensable pour le changement de dynamique après choc thermique, alors que le domaine de liaison à l'ADN et le domaine de transactivation n'ont que peu d'effet sur le changement de dynamique. Il ne peut donc pas être expliqué uniquement par les interactions directes à la chromatine du domaine de liaison à l'ADN, ni même par les liaisons indirectes du domaine de transactivation via d'autres protéines. La protéine HSF1 pourrait interagir de façon aspécifique avec la chromatine lors de la recherche de site de liaison, ou d'autres protéines via d'autres domaines pourraient entrainer des interactions indirectes avec la chromatine. / The majority of studies made on transcription factors dynamics on living cells agree with a fast dynamics process. However, there is some exceptions such as the dynamics of the transcription factor HSF “Heat Shock Factor” on drosophila polytenic chromosome. My project is to study HSF1 dynamics in human living cells. Cells exposure to a stress such as heat shock induces a transient and ubiquitous response that function's to protect cells against the deleterious effect of stress. During the course of a heat shock, several phenomenons take place: i) a global arrest of transcription, with the exception of some genes, such as those coding for the heat shock proteins (hsp), which expression is under the control of HSF1. ii) Activation of HSF1 that relocalize in a fast and transient way to nuclear stress bodies (nSBs), where it induces satellite III transcription. nSBs act as a natural amplification gene array, visible on microscopy. We have used two complementary techniques to look at HSF1 dynamics in living cells: Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) and multiconfocal fluorescence correlation spectroscopy (mFCS) that allow FCS analysis at several position simultaneously. On HeLa cells, HSF1-eGFP protein has a fast dynamics which is significantly slowed down following heat shock. On mFCS, we obtained a diffusion constant of 14 µm²/s before heat shock, and 10 µm²/s after heat shock. On FRAP, the half recovery time is 0.2 s before heat shock, 2.6 s after heat shock in the nucleoplasm and 65 s in nuclear stress bodies. HSF1 dynamics slowing down may be explain by two phenomenons: i) formation of high molecular mass complexes, ii) rise of interaction of HSF1 with chromatin. To better characterize changes in HSF1 dynamics after heat shock, several mutants have been analyzed. The trimerization domain of HSF1 is essential for dynamics changes after heat shock, while DNA binding domain (DBD) and transactivation domain (TAD) have only little effects on dynamics changes. These changes cannot only be explained by direct interaction of DNA binding domain with chromatin, neither by indirect interaction of the transactivation domain with other protein partners. HSF1 could be able to interact non-specifically with chromatin during the search for specific binding sites. Also other proteins via other domains might induce indirect binding to chromatin.

Le rayonnement synchrotron et la microscopie à sondes locales (SPM) sont deux des techniques les plus utilisées pour étudier les propriétés physiques et chimiques de nanostructures. Le couplage de ces deux techniques est prometteur pour les nanosciences en leur ouvrant de nouveaux horizons. D'un point de vue expérimental ce couplage est un défi exaltant et a déjà prouvé ses capacités par la combinaison de la Microscopie à Force Atomique (AFM) et de la diffraction de Rayons-X pendant le projet X-tip, qui, grâce au développement d'un microcope à force atomique embarqué sur une lugne de lumière synchrotron a permis l'étude du module de Young de microplots de germanium en procédant simulatanément à son indentation et à son analyse par diffraction. Cependant, cette configuration ne permet pas de manipuler en trois dimensions (3D). Le but ultime, pour notre nano-manipulateur est de manipuler en 3D avec un contrôle permanent des nano-forces exercées sur l'objet sous un faisceau d'analyse (rayon X, LASER). Le premier chapitre s'attarde donc sur les senseurs qui devront rendre compte des interactions à l'échelle nanométrique et permettre la saisie d'un objet individuel. Après un tour d'horizon de différentes techniques de micro/nanomanipulation disponibles à ce jour (micro-préhenseurs mécaniques basés sur la technologie MEMS, pinces optiques, préhenseurs basés sur la microscopie à force atomique conventionnelle) et devant les contraintes qu'implique le couplage d'un tel système avec les expériences synchrotron, le choix des oscillateurs à quartz (Diapason et LER) en tant que senseurs est expliqué. La microscopie à force atomique en générale et le fonctionnement particulier de ces oscillateurs sont décrits. Dans le second chapitre le développement instrumental de notre station de nanomanipulation est détaillé et notamment : Comment mettre en place ce type de résonateurs et la pointe associée pour réaliser à la fois l'imagerie AFM de l'échantillon et la préhension de l'objet? Comment contrôler le positionnement grossier et fin des trois éléments d'une nanomanipulation? Enfin le système haptique ERGOS et son couplage avec notre montage est décrit. Dans le dernier chapitre, deux types d'expériences sont présentés : le premier ne fait intervenir que notre montage piloté classiquement par ordinateur et montre ses capacités à réaliser la préhension d'objets micrométriques de manière contrôlée. Le second fait intervenir le couplage entre notre montage et le système haptique pour réaliser l'exploration rapide d'un échantillon ainsi que la localisation et la reconnaissance de forme d'objet sub-micronique. Ces expériences rendent compte des capacités de ce couplage à transmettre directement à un utilisateur les interactions à l'échelle nanométrique ainsi que la possibilité par l'intermédiaire de cette interface de réaliser des tâches complexes : manipulation sur une surface, reconnaissance de forme, et suivi de contour. / The synchrotron radiation and scanning probe microscopy (SPM) are the (two) most used techniques to study the physical and chimical properties of nanostructures. Coupling these two techniques is promising for the nanosciences by opening news horizons. From an experimental point of view, this coupling is an exciting challenge and has already proven its skills with the combination of Atomic Force Microscopy (AFM) and X-Ray diffraction during the X-tip project, which, thanks to the development of an atomic force microscope embended on a synchrotron beamline, has permitted to study Young's modulus of germanium microplots proceeding simultaneously with its indentation and its diffraction analysis. However, this configuration doesn't permit a three dimension (3D) manipulation. The ultimate goal, for our nano-manipulator, is to manipulate in 3D with a permanent control of nano-forces exerted on the object undcer a scanning beam (X-Ray, laser). The first chapter therefore focuses on the sensors which measure the interactions at a nanometer scale and permit the seizure of an individual object. After an overview of the differents techniques of micro/nano-manipulation available today ( mechanical micro-grippers based on MEMS technology, optic tweezers, grippers based on conventionnal atomic force microscopy), and in front of the constraints implied by the coupling of this kind of system with the synchrotron experiments, the choice of quartz oscillators (Tunning fork and LER) as sensors is explained. The atomic force microscopy in general and the particular behavior of these oscillators is described. In the second chapter, the instrumental development of our nano-manipulation station is detailed and especially : How to implement this type of resonators and the associated tip to achieve both AFM imaging of the sample and gripping of the object ? How to control the coarse and fine positionning of the three elements of a nano-manipulation ? Finally, the haptic system ERGOS et its coupling with our assembly is describe. In the last chapter, two types of experiments are presented : the first involves only our assembly piloted classically with a computer and show its skills in the achievement of gripping of micrometric objects in a controled way. The second involves the coupling between our assembly and the haptic system to achieve the fast exploration of a sample and also the location and shape recognition of sub-micronic objects. These experiments reflect the capacities of this coupling to directly transmit to an user the interactions at a nanometer scale and also the possibility using this interface to achieve complex tasks : manipulation on a surface, shape recognition and contour tracking.

L’adressage des protéines vers leur correct emplacement est crucial pour la cellule. L’information d’adressage est fournie sous la forme d’une séquence signale par le polypeptide lui-même. Chez Escherichia coli, les protéines membranaires sont adressées vers la membrane de façon co-traductionnelle via la particule de reconnaissance du signal (SRP) tandis que les protéines sécrétées suivent la voie de translocation post-traductionnelle caractérisée par les protéines SecB et SecA qui sont impliquées dans le processus d’adressage. Ces deux voies convergent au niveau du canal de translocation des protéines SecYEG. Chose intéressante, SecYEG a la possibilité de recruter les domaines accessoires SecDF-YajC et YidC et ainsi former le complexe holotranslocon (HTL). La recherche actuelle sur la translocation des protéines se concentre principalement sur la structure et fonction du canal de translocation des protéines hétérotrimérique bactérien SecYEG qui est conservé. Peu de choses sont connues concernant la structure et la fonction des composants additionnels SecD, SecF et YidC formant la machinerie de translocation et qui sont essentiels pour E. coli. Ceci est dû principalement à l’absence d’un complexe holotranslocon SecYEG-DF-YidC (HTL) recombinant purifié. En conséquence, une analyse biophysique et structurale minutieuse de ce large complexe transmembranaire composé de sept sous-unités est toujours en suspens.En utilisant un nouveau système d’expression pour des complexes multi-protéiques basé sur la recombinaison de vecteur chez E. coli, nous avons avec succès surproduit l’holotranslocon SecYEG-DF-YajC-YidC et son sous-complexe composé de SecDF-YajC-YidC (DFYY). Nous avons également réussi à solubiliser avec l’aide de détergents et à purifier ces complexes. L’holotranslocon purifié a ensuite été utilisé afin de caractériser de façon biochimique le complexe et de déterminer la structure de l’holotranslocon. Premièrement, le complexe HTL semble être plus compétent pour l’insertion co-traductionnelle des protéines membranaires comparé à SecYEG isolé. Concernant la translocation post-traductionnelle d’une protéine de la membrane externe à tonneau β, dépendante de la présence de SecA et d’ATP, l’influence de la force proton motrice sur ce processus est augmentée. De plus, la présence du domaine accessoire semble améliorer l’attachement du ribosome au translocon. En utilisant des cellules déplétées de SecDF et YajC, nous avons identifié des substrats possibles de HTL qui doivent maintenant être confirmés et analysés manière plus approfondie par des expériences de translocation in vitro.Par la suite, nous avons résolu la structure de l’holotranslocon par cryo-microscopie électronique (ME) et analyse des particules isolées. En comparant les reconstructions de ME8du complexe HTL avec le sous-complexe de domaine accessoire SecDF-YajC-YidC, nous avons été capable de localisé le complexe principal SecYEG. La structure de HTL par cryo-ME a pu être affinée jusqu’à une résolution de 10.5 Å. Cette structure permet le placement des structures à haute résolution disponibles de SecYEG, SecDF et YidC afin de générer un modèle quasi-atomique de l’holotranslocon. Les jeu de données ainsi obtenus sont volumineux et souffrent d’un taux élevé de « faux positifs », probablement dû à des réactions de réticulation inter-complexe. C’est pourquoi ils nécessitent une évaluation minutieuse et les résultats intéressants devraient être confirmés par une méthode indépendante. Dans le futur, des études structurales du complexe ribosome-HTL par cryo-ME ainsi qu’une reconstitution de HTL dans des nanodisques vont être menées pour révéler la conformation de HTL en cours de translocation dans un environnement plus physiologique. Des études biochimiques complémentaires sur le mécanisme de co- et post-translocation par HTL et son spectre substrats abordent la question du rôle physiologique de l’holotranslocon dans la cellule. / Targeting of proteins to their proper location in the cell is crucial to the cell. The targeting information is provided in form of a signal sequence by the polypeptide itself. In Escherichia coli, membrane proteins are targeted co-translationally via the signal recognition particle (SRP) to the membrane whereas secretory proteins follow the post-translational translocation pathway characterized by the proteins SecB and SecA involved in the targeting process. Both pathways converge at the protein-conducting channel SecYEG. Interestingly, SecYEG has the possibility to recruit accessory domains SecDF-YajC and YidC, forming the holotranslocon (HTL) complex. Current research on protein translocation mostly focuses on the structure and function of the conserved bacterial heterotrimeric protein conducting channel SecYEG. Not much is known about the structure and function of the additional components of the translocation machinery SecD, SecF and YidC which are essential for E. coli. This is largely due to the lack of a purified, recombinant SecYEG-DF-YidC holotranslocon (HTL) complex. Accordingly, a thorough biophysical and structural analysis of this large, seven-membered transmembrane complex is still pending.Using a new recombineering-based vector system for expression of multi-protein complexes in E. coli, we successfully over-produced the SecYEG-DF-YajC-YidC holotranslocon and its subcomplex consisting of SecDF-YajC-YidC (DFYY). We also succeeded in detergent-solubilising and purifying these complexes. The purified holotranslocon was used to biochemically characterize the complex and to determine the structure of the holotranslocon. First of all, the HTL seems to be more competent for co-translational membrane proteins insertion compared to SecYEG alone. Regarding the post-translational translocation of a β-barrel outer-membrane protein, driven by SecA and ATP, the proton-motive force dependence of this process is increased. Furthermore, the presence of the accessory domains seems to enhance the binding of the ribosome to the translocon. By using cells depleted of SecDF and YajC, we identified possible HTL-substrates which have to be confirmed and further analyzed yet by in vitro translocation experiments.Subsequently, we solved by cryo-electron microscopy (EM) and single particle analysis the structure of the holotranslocon. By comparing the EM reconstructions of the HTL complex with the subcomplex of the accessory domains SecDF-YajC-YidC, we were able to localize the core complex SecYEG. The HTL cryo-EM structure could be refined to a resolution of 10.5 Å. This structure allows the placement of the available high–resolution crystal structure of SecYEG, SecDF, and YidC to generate a quasi-atomic model of the holotranslocon.6In order to confirm our quasi-atomic model, we made use of different crosslinking- and mass spectroscopy-based approaches (CLMS) to characterize the protein-protein interactions within the holotranslocon complex. These CLMS data sets are large and suffer from a high rate of ‘false positives’, possibly caused by inter-complex crosslinks. Thus, they need to be carefully evaluated and interesting fits should be confirmed by an independent method. In the future, structural studies of the ribosome-HTL complex by cryo-EM together with reconstitution of the HTL into nanodiscs will be undertaken to reveal the conformation of the actively translocating HTL in a more physiological environment. Additional biochemical studies on the molecular mechanism of co- and post-translocation by HTL and its substrate spectrum are addressing the question about the physiological role of the holotranslocon in the cell.

Les sondes basées sur des résonateurs en quartz sont des capteurs disposant d'une autonomie en termes d'excitation et d'acquisition, et à cet égard présentent de nombreux avantages par rapport aux poutres cantilever qui ont jusqu'à présent dominé dans les applications de micro-caractérisation directe. Un de ces avantages est qu'elles peuvent êtres embarquées et calibrées sans recours à un système de déflection laser. Ces outils plus compacts et autosuffisants peuvent en conséquence être aisément intégrés et contrôlés au sein d'un microscope électronique à balayage, qui permet une observation globale rapide souvent privilégiée dans la recherche en micro-robotique. Le développement de ces sondes est de plus avantagé de par le fait qu'elles sont constituées de composants électroniques standards répandus dans le commerce, et qu'elles peuvent être adaptées à des usages spécifiques par l'ajout d'une micro-pointe. Les sondes de quartz dans la littérature sont cependant souvent basées sur des composants à fréquence d'oscillation limitée, et une plus grande vitesse d'opération serait utile à l'ensemble de leurs applications. C'est dans ce contexte que nous nous intéressons à des composants à plus haute fréquence, et au contrôle de sondes dans un microscope électronique propre à leur utilisation ciblée en micro-robotique et en imagerie. Les propriétés de ces sondes sont tout d'abord examinées dans le but de pouvoir évaluer et exploiter des résonateurs à plus haute fréquence; nous montrons ensuite que des sondes basées sur des résonateurs à cisaillement d'épaisseur atteignent de plus hautes vitesses en imagerie, ce qui les rend prometteuses pour des applications rapides ne requérant pas une haute résolution. Enfin, nous intégrons une sonde diapason dans un MEB, et établissons ainsi une preuve de concept pour la cartographie en raideur de micro-membranes fragiles. / As self-sensing and self-exciting tools, quartz probes present many advantages over the heretofore dominant silicon cantilevers for mechanical micro-sensing applications. One of these advantages is that they can be embedded and calibrated without the need for a laser deflection setup. The more compact and self-sufficient tools can therefore be readily integrated and controlled with Scanning Electron Microscopy, which is favoured at the smaller scales of micro-robotic research. More generally, the development and use of quartz probes is bolstered by the fact that they can be fabricated from widely commercialized quartz components and customised through the addition of a microtip. The quartz probes found in the literature are however largely based on components with limited oscillation frequencies, and could benefit from higher operating speeds. In this context, we address the frequency improvement and embedded control of AFM probes with regard to their use in targeted micro-robotics and imaging. The properties of quartz probes are first covered towards the evaluation and use of higher frequency components; we next demonstrate that faster scanning can be achieved with quartz probes made from thickness shear resonators, making them suitable for fast applications which do not require high sensitivity. Lastly, we integrate a tuning fork probe inside a SEM, and establish through it a proof of concept for the non-destructive stiffness mapping of fragile micro-membranes.