La polyprotéine de structure Gag du VIH-1 est responsable de l’assemblage des particules virales dans les cellules infectées. Au niveau moléculaire, cette protéine s’oligomérise en formant des complexes Gag-Gag autour de deux plates-formes moléculaires, d'une part l'ARN génomique via son domaine NCp7 (NucleoCapsid protein 7) et d'autre part, la membrane plasmique via son domaine MA (Matrice). De plus, lors du trafic de Gag dans la cellule, Gag détourne les protéines ESCRT comme TSG101 et ALIX de la machinerie cellulaire afin de bourgeonner et d’être libérées dans le milieu extracellulaire. Dans cette thèse, nous avons étudié le rôle du domaine NCp7 seul ou au sein de Gag (GagNC) dans les interactions Gag-Gag et Gag-TSG101 en utilisant des approches biochimiques et de la microscopie de fluorescence quantitative. Les résultats ont montré que l'absence du domaine NCp7 affecte l’oligomerisation de Gag qui s’accumule alors dans le cytoplasme sous forme d’agrégats de taille importante. Par ailleurs, le trafic intracellulaire de Gag est affecté par les mutations dans le domaine GagNC avec une augmentation importante de temps nécessaire à Gag pour arriver à la membrane plasmique. Enfin, nous avons montré que GagNC i) renforce l’interaction entre le domaine p6 de Gag et TSG101 et ii) par sa fonction dans le trafic de Gag, est responsable de la localisation de TSG101 à la PM. Sur la base de ces résultats, des études sont maintenant en cours pour développer des tests afin d’identifier des molécules possédant un potentiel anti virale. / The Gag structural polyprotein of HIV-1 orchestrates viral particle assembly in producer cells, in a process that requires two platforms, the genomic RNA on the one hand and a membrane with a lipid bilayer, on the other. During its transportation from translating ribosomes to plasma membrane, Gag hijacks cellular proteins of the cytoskeleton and the ESCRT proteins like TSG101, Alix, etc., to egress viral particles. However, a number of questions remain to be answered before they are clearly apprehended. In this thesis, , we studied the role of the NC domain alone or as part of Gag (GagNC) in Gag-Gag and Gag-TSG101 interactions, which are essential for the assembly and budding of HIV-1 particles using quantitative fluorescent microscopy and biochemical approach. Results, showed that the absence of NC domain lead to (1) an accumulation of Gag as large aggregates that are dispersed in the cytoplasm, (2) a decrease of Gag-Gag condensation and (3) a delay for Gag-Gag complexes in reaching the PM, (4) improved interaction between Gag and TSG101, and (5) by its virtue in Gag trafficking docks TSG101 to the PM. This regulatory effect of NCp7 domain in either TSG101 or Gag or both protein- regulated pathways during virus budding can be exploited to develop inhibitors targeting HIV-1.

Les ADN topoisomérases (Topos) sont des éléments essentiels de la vie cellulaire eucaryote et procaryote. Ces enzymes interviennent lors de la réplication, de la réparation et également lors de la transcription en modulant la topologie de l'ADN. L'ADN gyrase, une Topoisomérase IIA (TopoIIA) bactérienne particulière, est la seule topoisomérase capable de surenrouler l’ADN négativement en présence d’ATP, une activité indispensable au génome bactérien. Les différentes études structurales et fonctionnelles sur ces enzymes ont permis de proposer un mécanisme catalytique de surenroulement très sophistiqué mais la vision morcelée de ces complexes multi-­‐conformationnels laisse aujourd’hui de nombreuses questions mécanistiques en suspens. Ce travail de thèse a combiné une approche structurale et fonctionnelle pour essayer de répondre aux questions fondamentales mécanistiques encore non élucidées à propos des ADN topoisomérases de type II et à la découverte de nouveaux inhibiteurs « anti-­‐Topo » face à l’émergence de populations bactériennes résistantes aux traitements. / Type II DNA topoisomerases (Topo2A) remodel DNA topology during replication, transcription and chromosome segregation. Most TopoIIA are able to perform ATP-­‐dependent DNA relaxation or decatenation but the bacterial DNA gyraseis the sole type II DNA topoisomerase able to introduce negative supercoils. Several biochemical and structural studies haverevealed a highly sophisticated supercoiling catalytic mechanism but despite a wealth of information, the full architectureof Topo2A and the structural basis for DNA supercoiling remain elusive. Due to their physiological roles, topoisomerasesare also important targets for antibiotics targeting the bacterial enzyme but also anti-­‐cancer molecules inhibiting the humanprotein. This presented work has combinedboth structural and functional approach to answer the fundamental mechanisticquestions still unveiled and to discover new inhibitors against the emergence of resistant bacterial population.

Cette thèse porte sur la synthèse et la caractérisation de nouvelles phases bidimensionnelles par microscopie électronique in-situ, notamment la silice (SiO2), des cages nanométriques de carbone similaire à des molécules C20 et le chalcocite (β-Cu2S). Ces études ont permis de mettre en évidence les conditions préalables de croissance afin que celle-ci soit reproductible. La caractérisation de ces structures a été réalisée par imagerie haute résolution (HRTEM) ainsi que par spectroscopie de perte d’énergie (EELS). La première partie de la thèse est consacrée à l’étude de la nucléation et la croissance in-situ d’une phase cristalline 2D ordonnée et désordonnée sur différents métaux de transition (Co, Ru, Fe) ainsi qu’une phase 1D qui croît le long des marches atomiques sur la surface métallique. La seconde partie est consacrée à la croissance in-situ de cages de carbone d’un diamètre de l’ordre de 0.36 nm en présence d’un catalyseur métallique, tel que Co, Fe et Ru. La dernière partie est consacrée à l’étude de la croissance de la plus fine structure cristalline du β-Cu2S sur la surface du graphène. Toutes ces études ont été appuyées par des simulations d’images de microscopie. / The aim of this thesis is the synthesis and characterization of new two-dimensional phases in an in-situ transmission electron microscopy experiment. These studies concerned the nucleation and growth of three deferent materials: quasi-two-dimensional silica (SiO2), the smallest possible carbon cages with the size of C20, and two-dimensional chalcocite (β-Cu2S). The characterization of these structures has been performed using high resolution imaging (HRTEM) and electron energy-loss spectroscopy (EELS). The first part of this thesis is devoted to the study of the nucleation and growth of an ordered or disordered 2D crystalline phase of silica on different substrates (Co, Ru, Fe) and a 1D silica phase grown at atomic steps of a metal surface. The second part illustrates the in-situ growth of the smallest possible carbon cages with a diameter of about 0.36 nm on catalytically active metal surfaces such as Co, Fe, or Ru. The last part is devoted to the growth of the thinnest stable layer of β-Cu2S on a graphene surface. All these studies were accompanied by image simulations.

Le sujet principal de cette thèse est l'étude de métallocènes déposés sur une surface de cuivre. Leurs adsorptions et propriétés électroniques sont expérimentalement étudiées par microscopie à effet tunnel (STM) et spectroscopie par effet tunnel (STS). Nos résultats ont été validés par des calculs se basant sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Plus précisément, nous avons étudié la façon dont le ferrocène FeC10H10 et le nickelocène NiC10H10s'adsorbent sur le cuivre. Nous avons découvert que ces métallocènes forment spontanément des réseaux alternant molécules horizontales et verticales. Nous avons ensuite modifié la structure du ferrocène par l'ajout d'un atome de cobalt et caractérisé les propriétés magnétiques de la nouvelle molécule ainsi créée, notamment l'apparition d'un effet Kondo témoignant de l'apparition de propriétés magnétiques au sein de la molécule. L'étude spectroscopique du nickelocène a révélé une excitation de la molécule à basse énergie.Cette excitation se traduit par une réorientation du moment de spin de la molécule, passant d'une orientation perpendiculaire à l'axe principal de la molécule à une orientation parallèle à cet axe.Nous avons finalement transféré un nickelocène sur la pointe STM et utilisé cette pointe moléculaire pour sonder les états d'une seconde molécule. Nous avons alors obtenu une double excitation de spin dans notre jonction tunnel, avec une augmentation significative de la conductance due aux excitations. / The main subject of this PhD thesis is the study of metallocenes deposited on copper surfaces. Their adsorptions and electronic properties are experimentally studied by scanning tunnelling microscopy(STM) and scanning tunnelling spectroscopy (STS). Our results were confirmed by density functional theory (DFT) computations. More precisely, we studied how ferrocene FeC10H10 and nickelocene NiC10H10 are adsorbed on copper. We found that these metallocenes spontaneously create networks alternating horizontal and vertical molecules. We added a cobalt atom to the ferrocene in order to modify its structure and we characterized the magnetic properties of the new molecule we created, in particular the appearance of a Kondo effect showing that magnetic properties appeared in the molecule. The spectroscopic study of nickelocene revealed an excitation of the molecule at low bias. This excitation consist in a change in the spin orientation of the molecule, going from an orientation perpendicular to the main molecule axis to an orientation parallel to this axis. We finally transferred a nickelocene to the STM tip and used this molecular tip to probe the states of a second molecule. We consequently obtained a double spin excitation in our tunnel junction, with a significant increase of the conductance due to excitations.

Cette thèse présente une étude des impulsions électroniques ultra-brèves en utilisant le nouveau microscope électronique en transmission ultrarapide (UTEM) à Strasbourg. La première partie porte sur le mode d’opération stroboscopique, basé sur l’utilisation d’un train d’impulsions d’électrons de l’ordre de la picoseconde pour l’étude des phénomènes réversibles ultrarapides. L’étude paramétrique effectuée a permis de révéler les dynamiques fondamentales des impulsions électroniques. Des mécanismes inconnus jusqu’alors et décisifs dans les caractéristiques des impulsions ont été dévoilés. Il s’agit des effets de trajectoire, qui limitent la résolution temporelle, et du filtrage chromatique, qui impacte la distribution en énergie et l’intensité du signal. Ces connaissances permettent aujourd’hui un paramétrage affiné de l’UTEM de manière à satisfaire les divers besoins expérimentaux. La deuxième partie concerne l’installation du mode d’opération complémentaire : le mode « singel-shot ». Ce mode fait appel à une impulsion unique d’intensité élevé et d’une durée de l’ordre de la nanoseconde pour l’étude des phénomènes irréversibles. L’UTEM de Strasbourg étant le premier instrument single-shot équipé d’un spectromètre de perte d’énergie des électrons (EELS), l’influence de l’aberration chromatique a pu été étudiée en détail. Elle s’est dévoilée être une limitation majeure pour la résolution en imagerie, nécessitant d’ajuster le bon compromis avec l’aberration sphérique d’une part et l’intensité du signal d’autre part. Enfin, la faisabilité de mener des études en EELS ultrarapide avec une seule impulsion nanoseconde a pu être démontrée, ceci constituant une première mondiale. Ce résultat très prometteur ouvre un tout nouveau domaine d’expériences résolu en temps. / This thesis presents a study of ultrashort electron pulses by using the new ultrafast transmission electron microscope (UTEM) in Strasbourg. The first part focuses on the stroboscopic operation mode which works with trains of picosecond multi-electron pulses in order to study ultrafast, reversible processes. A detailed parametric study was carried out, revealing fundamental principles of electron pulse dynamics. New mechanisms were unveiled which define the pulse characteristics. These are trajectory effects, limiting the temporal resolution, and chromatic filtering, which acts on the energy distribution and signal intensity. Guidelines can be given for optimum operation conditions adapted to different experimental requirements. The second part starts with the setup of the single-shot operation mode, based on intense nanosecond electron pulses for the investigation of irreversible processes. Having the first ns-UTEM equipped with an electron energy loss spectrometer, the influence of chromatic aberration was studied and found to be a major limitation in imaging. It has to be traded off with spherical aberration and signal intensity. For the first time, the feasibility of core-loss EELS with one unique ns-electron pulse is demonstrated. This opens a new field of time-resolved experiments.

Les phénomènes quantiques des nanostructures peuvent être une opportunité pour le développement d’une nouvelle génération de cellules photovoltaïques. Ce travail décrit la synthèse et les caractérisations de nanoparticules de silicium dans une matrice d’oxynitrure de silicium. Il est possible d’obtenir des nanoparticules de silicium de diamètre compris entre 3 et 7 nm dans des matrices allant du nitrure de silicium à l’oxyde de silicium. Les propriétés des nanoparticules dépendent très fortement de la composition de la matrice. Afin d’accroître la conduction dans ces couches diélectriques, nous avons effectué un dopage électrique par implantation ionique. La localisation et la densité des ions implantés ont été observées par des techniques associées de microscopie électronique en transmission et de rayons X. Une augmentation de la conduction a été démontrée lors du dopage permettant d’observer un effet photovoltaïque sur une structure comportant des nanoparticules de silicium. / Quantum effects in nanostructures exhibit properties that can be very useful for the development of a new generation of solar cells. We investigated the synthesis of silicon nanostructures in silicon oxynitride made by a plasma enhanced chemical vapour deposition technique. Thus, silicon nanoparticles of diameter between 3 and 7 nm were obtained in different matrix ranging from silicon oxide to silicon nitride. The properties highly depend on the composition of the matrix. We also study the incorporation of impurities in the films with the aim of increasing the electrical conductivity of the structure. This was done by implanting different ions in the structure followed by thermal annealing. We have investigated the position of the ion and its content in the composite by combining Transmission Electron Microscopy and X-ray diffraction. Finally, N+/P junctions were fabricated using highly doped films containing silicon nanoparticles and a photovoltaic effect was demonstrated.

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Notre travail de thèse porte sur la détection et la modélisation de configurations dynamiques dans des séquences d'images. Nous développons des approches statistiques locales sans apprentissage supervisé. Notre application principale est la microscopie de fluorescence, un outil fondamental de la biologie cellulaire moderne. Deux cas peuvent se présenter : 1. les objets étudiés n'interagissent pas, et les dynamiques individuelles peuvent être analysées indépendamment ; 2. les objets étudiés interagissent, et la dynamique à analyser est celle du groupe entier d'objets. En ce qui concerne les dynamiques individuelles, nous nous intéressons à des séquences d’images biologiques dans lesquelles des protéines évoluent au sein de la cellule. Plus précisément, nous étudions la fusion de vésicules à la frontière de la cellule, appelée membrane plasmique. Les vésicules sont des intermédiaires de transport qui véhiculent des molécules dans la cellule. À la fin du processus d’exocytose, la fusion des vésicules avec la membrane s’accompagne d’une diffusion desdites protéines. Les images sont acquises en microscopie de fluorescence par réflexion totale interne (TIRF). Afin de repérer les évènements de fusion, nous proposons une nouvelle méthode de détection de spots. Puis, nous modélisons les dynamiques des protéines et estimons les paramètres biophysiques associés dans les séquences TIRF. La dynamique de groupe, quant à elle, est notamment rencontrée dans les mouvements de tissus cellulaires, le développement embryonnaire ou dans d’autres domaines, comme les mouvements de foules dans des vidéos. Nous proposons une nouvelle méthode d’estimation du mouvement de groupe permettant de caractériser le mouvement à la fois de façon quantitative et qualitative. Elle est utilisée pour classifier le mouvement de groupe, retrouver les chemins principaux dans la scène et détecter des anomalies locales. Dans l'un ou l'autre cas d'étude, nous abordons les problématiques selon une démarche commune, essentiellement dirigée par les données et mettant en œuvre des tests statistiques. Par ailleurs, nous avons le souci de proposer des méthodes nécessitant le réglage d'un faible nombre de paramètres qui sont, de plus, peu sensibles ou calibrés avec des règles statistiques. Enfin, nous adoptons des approches locales, qui ont l’avantage d’être rapides, flexibles et peu sensibles aux variations de contexte, qu’elles soient spatiales (arrière-plan variable) ou temporelles (changement d’illumination globale comme le photoblanchiment en microscopie de fluorescence). / In this thesis, we investigate statistical methods to detect, estimate and characterize dynamical events in image sequences. Our main focus is on fluorescence microscopy images, which represent a fundamental tool for cell biology. There are two cases : 1. Studied objects do not interact, and individual dynamics can be independently analyzed ; 2. Studied objects interact, and group dynamics must be analyzed as a whole. In the case of individual dynamics, our primary focus is on biological image sequences showing proteins evolving in a cell, and more precisely at the cell frontier named plasma membrane. Proteins transported in the cell by vesicles, are observed in total internal reflection fluorescence microscopy (TIRFM), an observation technique well adapted to plasma membrane dynamics analysis. At the end of the exocytosis process, vesicles fuse to the plasma membrane and release proteins, which then diffuse. We first propose a new spot detection method aimed at localizing fusion events. Then, we model the protein dynamics and estimate the biophysical parameters in TIRFM image sequences for further biological analysis. We also address the processing of image sequences at lower magnifications, that is, depicting groups of cells, instead of an isolated cell. We propose a method to jointly estimate quantitative and qualitative motion measurements. It is used to classify the group motion, recover principal paths followed in the scene, and detect localized anomalies. Since they are free of appearance model, the developed methods are quite general and also applied to other applications including crowd motion analysis in videos. Whether it is for spot detection, protein dynamics estimation or group motion analysis, a common approach is ubiquitous, however. First, statistical arguments are used to automatically infer the method parameters. Secondly, we rely on local approaches, which have the advantage of being computationally efficient. Local modeling handles spatially varying image statistics much more easily and more accurately than global modeling. Local approaches also allow neglecting contextual variations such as spatially varying background contrast or, in fluorescence microscopy, temporal fading known as photobleaching.

Dans cette thèse, nous avons concentré notre étude sur les mécanismes qui génèrent la polarité cellulaire, en particulier dans le cas de la migration cellulaire. Malgré les derniers développements concernant l’observation de l’activité des RhoGTPases, les principes qui dictent la capacité des cellules à coordonner plusieurs modules de signalisation en parallèle ne sont toujours pas compris. L’optogénétique est un outil d’intérêt pour disséquer ces réseaux de signalisation à partir de la création d’une perturbation dont les caractéristiques spatiotemporelles sont contrôlées. Tout d’abord, à partir de la caractérisation des différents processus biophysiques en jeu, nous avons établi les relations quantitatives entre l’illumination et les gradients moléculaires que l’on induit. Nous avons déterminé qu’il est possible de créer des gradients subcellulaires avec une résolution spatiale de l’ordre de 5 μm et temporelle d’environ 3 minutes Ensuite, nous avons utilisé cette approche optogénétique pour contrôler l’activité de Cdc42, Rac1 et RhoA. Nous avons caractérisé les effets subcellulaires de l’activation de ces RhoGTPases en utilisant l’activité de membrane, les changements de forme cellulaire et leurs déplacements comme rapporteurs de la polarisation et de la migration. Nous avons ainsi montré qu’une activation locale de RhoGTPase permet la réorganisation interne des cellules jusqu’à générer un phénotype de migration.Enfin, nous avons caractérisé les effets d’une activation locale de RhoA sur différents acteurs moléculaires comme les points focaux d’adhésion, l’actine et les moteurs moléculaires myosines. Nous avons mesuré alors la dynamique de l’intégration des points focaux dans le cytosquelette et analysé la réponse du réseau d’acto-myosine au cours d’évènements de rétraction.Notre approche optogénétique couple le contrôle d’une perturbation à la mesure de la réponse cellulaire simultanément de manière directe et reproductible. Elle apporte une méthode pour contrôler la polarité cellulaire et une manière de disséquer des réseaux de signalisation à l’échelle subcellulaire. / In this thesis we focus on the mechanisms that establish cell polarization, particularly during cell migration. Despite latest developments that enable visualization of RhoGTPases activity, the underlying principles dictating the cell’s ability to coordinates multiple signaling modules is still unclear. Optogenetic methods have been recognized as promising tools to dissect these intracellular signaling networks by allowing perturbations to be spatially and temporally controlled. We established the quantitative relationship between illumination patterns and the corresponding gradients of induced signaling activity through the characterization of the biophysical properties of CRY2/CIBN. We determined that it is possible to create subcellular gradients of recruited proteins of different shapes of choice up to spatial resolutions of 5μm and temporal ones of ca. 3 minutes.We applied the aforementioned optogenetic approach as a means to perturb the activity of cdc42, Rac1 and RhoA. We characterized the effects of subcellular activation of those RhoGTPases using membrane activity, cell shape changes and cell displacement as reporters of cell polarization and migration. We show that localized activation of RhoGTPases can trigger cellular organization and drive the cell into a migrating state.We also characterized the effects of local activation of RhoA on different cellular effectors as focal adhesion complexes, actin filaments and myosin molecular motors. We measured the dynamics of the newly formed focal adhesion complexes and the acto-myosin complex during retraction events.Altogether, our optogenetic methodology enables simultaneous measurement of the imposed perturbation and the cell response in a straightforward and reproducible way. It provides a quantitative way to control cell polarity and a step forward in the dissection of subcellular signaling networks.

Dans ce travail, nous nous concentrons sur la caractérisation de l'environnement physico-chimique des éléments présents dans des multicouches à base de cobalt qui travaillent dans les domaines des rayons X mous et extrême ultra-violet (EUV). L'observation des modifications des interface des deux systèmes Co/Mo2C et Co/Mo2C/Y lors du recuit est important pour l'amélioration de leurs performance optique. Ils ont été étudiés en combinant des méthodes non destructives, spectroscopie d'émission des rayons X, résonance magnétique nucléaire, réflectométrie de rayons X et des méthodes destructrices, spectrrométrie de masse d'ions secondaires par temps de vol et la Microscopie électronique en transmission pour étudier leurs propriétés interfaciales. Ce travail vise non seulement à la conception et la fabrication de nouveaux éléments optiques pour faire face au développement des sources et des applications dans les demaines des rayons X mous et l'EUV, mais aussi à développer une méthodologie combinant des simulations et des expérimentations consacrée à l'analyse des interfaces dans structures multicouches afin d'améliorer leur propriétés optiques. / In this work, we focus on the characterization of physico-chemical environment of the element present in Co-based multilayers working in the soft x-ray and EUV ranges. The observation of interface changes of both systems Co/Mo2C and Co/Mo2C/Y upon annealing is important for improving their optical performance. They were studied by combining non-destructive methods, x-ray emission spectroscopy, nuclear magnetic resonance spectroscopy, x-ray reflectometry and destructive methods, time-of-flight secondary ions mass spectroscopy and transmission electron microscopy to investigate their interface properties. This work aims not only at designing and fabricating new optical elements to face the development of sources and applications in the EUV and soft x-ray ranges, but also at developing a methodology combining simulations and experiments devoted to the interface analysis in these multilayer structures in order to improve their optical properties.