L'électroperméabilisation est une technique permettant, entre autre, l'entrée de molécules cytotoxiques dans les tumeurs. Elle consiste en la perméabilisation transitoire de la membrane plasmique suite à l'application de champs électriques pulsés. Certaines conditions électriques permettent le transfert de gène, ouvrant le champ d'application de la technique à la thérapie génique. Cette thèse s'est intéressée à étudier les effets des champs électriques sur cellules et tissus, dans le cas de l'électro-transfert de gène. En effet, la compréhension mécanistique de ce transfert est indispensable à l'optimisation de la technique pour les futures applications cliniques. Dans ce contexte, nous nous sommes attachés à étudier les 3 barrières rencontrées par le gène lors de son transfert, à savoir la complexité de l'environnement multicellulaire au niveau du tissu, la membrane plasmique et l'enveloppe nucléaire au niveau de la cellule. i) L'efficacité de l'electrotransfer de gène a été étudié sur le modèle de tumeur in vitro/ex vivo dit sphéroïde. Dans un premier temps ce modèle a été validé pour l'étude de l'électrotransfection et dans un deuxième temps les raisons de l'absence d'efficacité en structure tissulaire ont été mises en évidence et l'optimisation de la technique a été amorcée. ii) Une deuxième partie a été dédiée à l'étude nano-mécanique des cellules à l'échelle de la membrane plasmique par microscopie à force atomique. La microscopie à force atomique a été utilisée afin d'imager et mesurer par spectroscopie de force l'effet de l'électroperméabilisation sur la membrane plasmique. Nous avons imagé la perturbation membranaire et mesuré une diminution d'élasticité membranaire suivant l'application des champs électriques. Ce phénomène a été relié aux effets secondaires de l'électroperméabilisation affectant l'actine corticale. iii) Une dernière partie s'est intéressée aux effets des nanopulses. Ces impulsions très courtes (ns) et intenses (plusieurs kV/cm) représentent la nouvelle génération d'impulsions, dont les effets sont encore peu décrits, mais pourraient permettre une déstabilisation spécifique de l'enveloppe des organelles. L'impact de ses impulsions nanosecondes sur la membrane ont été analysée par Patch-Clamp pour déterminer l'implication du cytosquelette d'actine dans la forme des nanopores créés. Dans un deuxième temps leur impact sur l'enveloppe nucléaire a été étudié, dans le but de déterminer d'éventuels effets néfastes sur le fonctionnement cellulaire, et la potentielle augmentation de transfection résultant d'une déstabilisation de la deuxième barrière rencontré par le gène lors de son transfert. Il est montré que l'actine ne joue pas de rôle dans la formation des nanopores, et que les impulsions nanosecondes ne permettent pas d'augmenter l'efficacité de transfection. En conclusion ces travaux ont apporté de nouveaux éléments dans la compréhension du mécanisme d'électroporation et des barrières au transfert de gène. Des protocoles, modèles, et outils ont été mis en place et sont aujourd'hui validés et disponibles pour une investigation poussée des effets des champs électriques sur le vivant.

La synthèse des protéines est un mécanisme central de la vie cellulaire dont la compréhension est un enjeu du domaine biomédical. Les études en molécule unique permettent d'observer chaque système réactionnel individuellement et donnent accès à des évènements asynchrones difficilement observables en mesure d'ensemble, tels la traduction de protéines.Cette thèse présente les premiers résultats en molécule unique sur la traduction par un ribosome eucaryote (mammifère). Nous observons les systèmes traductionnels grâce à des marqueurs fluorescents liés à des oligonucléotides pouvant s'hybrider sur les séquences d'ARN traduites. L'observation de ces marqueurs est faite par microscopie de fluorescence en onde évanescente (TIRF), les ARN étant fixés sur une lamelle de microscope. En lisant l'ARN, le ribosome détache les marqueurs, et leurs instants de départs donnent des informations sur le passage du ribosome à différentes positions sur l'ARN. Cette méthode permet d'obtenir des données cinétiques sur un grand nombre de systèmes traductionnels en parallèle pouvant alors être interpolées par des lois de probabilité. Nous obtenons par cette méthode des mesures de la cinétique in vitro de l'élongation eucaryote et nous observons un délai dû à une initiation non-canonique. En effet, nous complexons le ribosome sur l'ARN grâce à une structure de type IRES. Dans nos conditions d'expérience, l'incorporation d'un acide aminé prend environ une seconde tandis que cette structure induit un retard à la traduction de plusieurs dizaines de secondes. Ces résultats ouvrent des perspectives d'étude cinétique dans des cas plus complexes tels le franchissement de structures secondaires de l'ARN.

Le graphène est un cristal bidimensionnel composé d'atomes de carbone arrangés sur un réseau en nids d'abeille. Ce matériau présente des propriétés électroniques intéressantes tant au niveau fondamental qu'en vue d'applications avec notamment une structure de bande exotique en " cône de Dirac " et de grandes mobilités de porteurs. Sa fabrication par graphitisation du SiC est particulièrement adaptée aux applications électroniques. Nous avons étudié ce système par microscopie à effet tunnel (STM) et simulations numériques ab initio avec comme objectif la caractérisation au niveau atomique de l'interface graphène - SiC(000-1) (face carbone) et l'étude de l'impact du substrat sur la structure électronique du graphène. Après un chapitre introductif à la thématique du graphène, suivi d'un chapitre présentant les deux techniques utilisées au cours de ce travail, nous présentons nos échantillons faiblement graphitisés obtenus sous ultra-vide. Nous avons identifié deux types d'interfaces, les reconstructions natives de la surface du SiC(000-1) appelées (2x2)C et (3x3), sur lesquelles reposent les ilots monoplan de graphène, avec un fort désordre rotationnel donnant lieu à des figures de moiré sur les images STM. Nous montrons par imagerie STM et spectroscopie tunnel que l'interaction graphène/(3x3) est très faible. Nous étudions ensuite le cas d'interaction plus forte graphène/(2x2) successivement du point de vue des états du graphène et des états de la reconstruction, dans l'espace direct et réciproque, de façon expérimentale et théorique. Enfin, nous considérons l'effet de défauts observés par STM à l'interface des ilots sur (2x2), modélisés par des adatomes d'hydrogène, sur le dopage et la structure de bande électronique du graphène.

Le cytosquelette de microtubule (MT) est essentiel dans de nombreux processus cellulaire. Il est notamment impliqué dans le trafic intracellulaire, la division cellulaire, la modification et le maintien de la forme de la cellule. En fonction du type cellulaire ou de son état de différenciation, les réseaux de MTs vont adopter des architectures différentes. Ces organisations sont définies par des contraintes géométriques intracellulaires et l'activité moléculaire de nombreuses protéines associées aux MTs (MAPs). Parmi ces protéines, des membres de la famille des MAP65s ont été identifiés. In vitro, elles forment des ponts entre les MTs pour les organiser en faisceaux. Le but de mon travail de thèse a été d'étudier in vitro le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation d'un réseau de faisceaux de MTs. Dans un premier temps, j'ai mis au point un système biomimétique utilisant la technique de " micro-patterning " qui imposent une géométrie d'assemblage pour les MTs dans des limites qui se rapprochent de celles observées dans les cellules. Cette méthode permet de contrôler précisément l'assemblage des MTs à partir de zones dont les formes, la taille et la distribution des unes par rapport aux autres sont définies. Pour valider cette technique, j'ai reconstitué des réseaux qui miment des architectures cellulaires (i.e modules du fuseau mitotique). Dans un deuxième temps j'ai étudié le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation de réseaux de faisceaux de MTs, et plus particulièrement l'étape de co-alignement entre MTs dynamiques et dispersés. J'ai montré que MAP65-1 de plante et son orthologue chez la levure, Ase1, diminuent fortement la longueur de persistance de MTs isolés ou organisés en faisceaux. Cet assouplissement leur permet de se déformer et donc de se co-aligner pour former des faisceaux lorsqu'ils se rencontrent à des angles de rencontre élevés. L'augmentation de flexibilité est du à l'interaction du domaine de liaison de MAP65-1/Ase1 avec la lattice des MTs. Ces résultats suggèrent que la diminution de la rigidité des MTs contrôle dans les cellules l'issue des évènements des rencontres entre MTs. De façon plus générale, la modulation des propriétés mécaniques des MTs par des MAPs représente un nouveau mécanisme pour réguler la plasticité des réseaux de MTs dans les cellules eucaryotes.

Plus de vingt ans après la découverte de la supraconductivité à haute température critique, le mécanisme physique sous-jacente n'est pas encore bien cerné. En 2008, la découverte d'une nouvelle famille de supraconducteurs à haute température critique, les supraconducteurs à base de fer, a donné l'espoir de trouver une compréhension plus profonde des mécanismes de ce type de supraconductivité. Synthétiser des l'échantillons de grande qualité, la caractérisation des propriétés supraconductrices, l'étude des symétrices du gap et du paramètre d'ordre sont des étapes essentielles pour révéler le mécanisme. La connaissance précise du mécanisme permettra de profiter pleinement des propriétés remarquables de ces matériaux dans leurs applications industrielles si prometteuses. La thèse décrit d'abord la croissance de monocristaux de Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ et l'étude de leurs propriétés supraconductrices, menant vers la proposition d'une structure de gap du supraconducteur et d'un paramètre d'ordre pour les supraconducteurs à base de fer Ba-122 à partir de mesures de résistivité, de sondes à effect Hall, de spectroscopie d'Andreev en mode point-contact et de l'imagerie magnétique par la microscopie à nano-squid.Dans le chapitre 1, les événements historiques les plus marquants de la supraconductivité sont rappelés, les propriétés essentielles des supraconducteurs et le dévelopment des théories de la supraconductivité sont esquissés avant de présenter brièvement la découverte des supraconducteurs à base de fer et de donner un aperçu des questions actuelles de recherche dans ce domaine.Dans le chapitre 2, la procédure de croissance de monocristaux de Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ par la méthode de "self-flux", leur caractérisation par diffraction et par l'analyse de dispersion d'énergie des rayons X et la sensibilité des mesures de résistivité et de susceptibilité AC sont décrites. Puis nous présentons quelques résultats des mesures de la résistivité dépendante de la température de monocristaux du composé Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ (0,23 $\leq x \leq$ 0,4) sous champs magnétiques allant jusqu'à 9 T et dépendante de l'angle.Dans le chapitre 3, nous exposons quelques points essentiels du système de mesure à base de sonde de Hall que nous avons construit. Ensuite, nous présentons des mesures d'aimantation locale et globale sur des polycristaux de SmFeAsO$_{0.9}$F$_{0.1}$ synthétisés à haute pression, et de monocristaux de Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ effectuées par sonde de Hall et VSM.Dans le chapitre 4, nous donnons une brève introduction à la spectroscopie d'Andreev en mode point-contact, puis nous appliquons cette technique à des monocristaux de Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ et à une série de monocristaux de BaFe$_{2-x}$Ni$_x$As$_2$ couvrant une large gamme de dopage.Dans le chapitre 5, le développement d'un microscope de force à nano-SQUID et les mesures effectuées sur un film Rhénium d'épaisseur de 80 nm sont présentés. Le microscope peut acquérir des images topographiques et magnétiques simultanément. La plage de balayage maximale à 0.8 K est de \unit{70} {\micro\meter} $\times$ \unit{85}{\micro\meter} et sa résolution magnétique est d'environ $1,5 \times10^{-4}\Phi_0/\sqrt{\textrm{Hz}}$. Dans le chapitre 6, nous présentons quelques résultats des mesures de $\lambda$ par imagerie par microscopie de force à nano-squid sur des monocristaux de Ba(Fe$_{1-x}$Ni$_x$)$_2$As$_2$, couvrant tout le diagramme de phase. Sur les m\^{e}mes cristaux ont été effectuées des mesures du premier champ critique, de la variation de fréquence d'un oscillateur à diode tunnel et de la capacité calorifique.Enfin, au chapitre 7, un résumé détaillé et critique est présenté.

AtMAP65-4 est une protéine associée aux microtubules appartenant à la famille des AtMAP65s qui compte 9 membres identifiés chez Arabidopsis thaliana. Ces protéines appartiennent à une famille conservée au cours de l'évolution, les MAP65s. Ainsi, des protéines homologues sont présentes chez de mammifères (PRC1), chez la levure (Ase1p) ou chez la drosophile (FEO). Jusqu'ici l'étude des propriétés moléculaires et fonctionnelles des AtMAP65s s'est portée essentiellement sur l'étude d'AtMAP65-1 et AtMAP65-5. La principale caractéristique de ces protéines est d'induire la formation de faisceaux de microtubules in vitro. La distribution des AtMAP65s in vivo est très régulée, celle-ci sont localisées avec des réseaux des microtubules bien définis. Ainsi, leur rôle supposé est de mettre en place ces réseaux puis de participer à leur maintient. La localisation d'AtMAP65-4 apparait comme très intéressante car elle est strictement associée avec les microtubules du fuseau mitotique. D'après les résultats obtenus au cours de ce travail, nous avons suggéré que la fonction in vivo d'AtMAP65-4 est de participer à la mise en place et au maintient des microtubules en faisceaux dans les fibres kinétochoriennes lors de la division cellulaire. Lors d'une étude in vitro nous avons montré qu'AtMAP65-4 modifie les paramètres dynamiques de polymérisation des microtubules. Outre sa capacité à former des faisceaux, AtMAP65-4 permet une croissance régulière des microtubules au sein des faisceaux qu'elle induit. Le mécanisme d'action de la MAP à l'échelle moléculaire a été analysé à travers une étude bioinformatique où nous avons modélisé l'activité d'AtMAP65-4. Les données obtenues montrent qu'AtMAP65-4 peut bloquer les évènements de dépolymérisation des microtubules. Par ailleurs, l'activité d'AtMAP65-4 pourrait être régulée in vivo par des modifications post traductionnelles. En effet, nous avons montré et étudié l'effet de la phosphorylation d'AtMAP65-4 par les kinases Auroras. Cette phosphorylation pourrait être impliquée dans la régulation de l'activité d'AtMAP65-4 au cours de la mitose.

Ce mémoire présente la mise en place d'un système complet de microscopie de fluorescence basé sur le processus non linéaire d'absorption à deux photons. Cette technique récente de microscopie biphotonique est caractérisée par de nombreux avantages pour l'étude d'échantillons biologiques, notamment en terme de limitation des photodommages. Combinée à des méthodes d'analyse de la dynamique d'émission de fluorescence, elle permet l'étude à la fois spatiale et temporelle de l'émission de fluorescence. Dans ce contexte, nous avons développé deux techniques d'analyse résolue en temps de la fluorescence. Une première technique d'analyse dynamique, la microscopie de corrélation de fluorescence, basée sur des mesures en micro-volume et sur une faible concentration moléculaire, a essentiellement été appliquée à l'étude du processus de diffusion translationnelle. En particulier, la microscopie de corrélation de fluorescence a permis, avec la sensibilité de détection d'une molécule unique, la détermination des coefficients de diffusion de sondes souvent utilisées en biologie : le FITC-dextran, la GFP (Green Fluorescent Protein) et la fluorescéine. Les performances de cette technique pour les études en milieux biologiques ont par ailleurs été validées par une application novatrice et originale à l'étude des mécanismes de la diffusion moléculaire au sein de biofilms de bactéries. Une deuxième technique d'analyse dynamique, l'imagerie des durées de vie fluorescence sous excitation à deux photons a été développée. La durée de vie de fluorescence d'une molécule, ou durée de vie de l'état excité singulet, est un paramètre caractéristique de l'état physico-chimique et de l'environnement d'une sonde fluorescente. Elle renseigne donc sur de nombreuses propriétés moléculaires essentielles à la compréhension des mécanismes intracellulaires. De premières applications concluantes de cette technique sont présentées, notamment des études in vitro de la réactivité de molécules d'intérêt pharmacologique ainsi que de premières mesures réalisées in vivo.

Cette thèse est consacrée à l'étude théorique et expérimentale de guides d'onde plasmoniques fonctionnant à la longueur d'onde de 1,55µm. Ces guides d'onde plasmoniques sont envisagés comme interconnexions optiques avec un confinement latéral sub-longueur d'onde. Différents codes de simulations ont été développés à la fois comme outils de prédiction pour la conception des composants mais également pour comparer systématiquement les résultats du calcul avec les mesures expérimentales. Un premier modèle 2D basé sur une approche multicouche a été utilisé pour identifier les modes plasmoniques sur des structures planaires. Un solveur de mode a ensuite permis de déterminer les modes propres dans des guides d'onde plasmoniques de formes diverses. Finalement, ces deux codes ont été utilisés pour implémenter une source optique dans un code FDTD (Finite-Difference Time-Domain) utilisé pour simuler numériquement, par éléments finis, des structures plasmoniques en 2D ou 3D. Deux catégories de guides d'onde plasmoniques ont été fabriquées par lithographie par faisceaux d'électrons. Un montage de microscopie en champ proche SNOM fonctionnant par rétro-injection laser a été utilisé pour caractériser expérimentalement les propriétés optiques de ces structures. La première catégorie est constituée de bandes métalliques en or caractérisées par une longueur de propagation élevée mais un confinement latéral limité. La seconde catégorie est constituée par des rubans en polymère déposés sur une couche d'or. Ces guides, dits DLSPP, présentent un confinement optique sub-longueur d'onde qui permet de combler l'écart d'échelle entre des composants optiques et des circuits intégrés électroniques.

L'échange sécurisé d'une clé secrète entre deux interlocuteurs est une tâche compliquée. Dans un monde " classique ", il n'est pas possible de garantir qu'un espion n'a pas effectué une copie de cette clé lors de son échange. En 1984, un protocole basé sur les propriétés de la mécanique quantique a démontré la possibilité d'un échange inconditionnellement sûr d'une clé secrète entre deux interlocuteurs. Idéalement, le protocole utilise une source de photons uniques. L'information est alors codée, par exemple sur la polarisation des photons. La sécurité est garantie par un choix aléatoire de la base de polarisation (Linéaire, Circulaire). Dans ce contexte, cette étude porte sur la réalisation d'une source de photons uniques et son application à la cryptographie quantique. Une source de photons uniques est obtenue par l'excitation impulsionnelle d'un dipôle unique. Le dipôle étudié dans ce travail est le centre NV dans le cristal de diamant. Il est constitué d'un atome d'azote (N) et d'une lacune (V) en substitution dans la maille cristalline du diamant. L'étude sous excitation continue de ce dipôle, à l'aide d'un microscope confocal et d'un montage d'autocorrélation d'intensité, montre que de par sa simplicité d'utilisation et de sa photostabilité intrinsèque, il est un candidat de choix pour une source de photons uniques. En excitation impulsionnelle, on démontre que la source de photons uniques ainsi produite présente une grande efficacité de production de photons, et un très faible taux d'impulsions contenant deux photons. Finalement, cette source été utilisée dans un montage de cryptographie quantique. Après une description des dispositifs expérimentaux de l'émetteur et du récepteur, nous décrivons en détail l'échange de clé quantique. Les résultats obtenus montrent un avantage quantitatif dans le taux de pertes admissibles en ligne en comparaison avec des prototypes basés sur une source cohérente atténuée.

La "cryopolymérisation" permet d'obtenir des gels de polymère macroporeux ou "cryogels". Cette méthode a été utilisée pour la synthèse d'hydrogels thermosensibles à base de pNIPA. La température critique TC correspondant à la transition de volume a été déterminée par des mesures de taux de gonflement et par DSC. La macroporosité (distribution de la taille des pores et épaisseur des parois) et son évolution en fonction de T ont été étudiées par la microscopie biphotonique donnant des informations à l'échelle du µm à plusieurs dizaines de µm. La diffusion de rayons X (SAXS et WAXS) a été utilisée pour caractériser la structure multi-échelle (de quelques dixièmes à quelques dizaines de nm) du gel constituant les parois des macropores. Les courbes de diffusion ont été décrites analytiquement. L'évolution des dix paramètres contenus dans l'équation a été étudiée en fonction de T et discutée. Enfin, des expériences utilisant les phonons hyperfréquences générés par la technique des réseaux transitoires avec détection hétérodyne (HD-TG) ont été réalisées. Ces mesures ont permis de déterminer la vitesse de propagation de l'onde ultra-sonore (à 340 MHz), son atténuation, et la constante de diffusion thermique à différentes températures.