La concentration locale des messagers chimiques sécrétés par les cellules peut être mesurée afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à diverses maladies, dont les métastases du cancer. De nouvelles techniques analytiques sont requises pour effectuer ces mesures locales de marqueurs biologiques à proximité des cellules. Ce mémoire présentera le développement d’une nouvelle technique basée sur la réponse plasmonique sur des leviers AFM, permettant d’étudier les réactions chimiques et biologiques à la surface des leviers grâce au phénomène de résonance des plasmons de surface (SPR), ainsi qu’à la diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS). En effet, il est possible de localiser l’amplification du signal Raman à la pointe d’un levier AFM, tout comme le principe de la diffusion Raman exaltée par effet de surface (SERS) basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques, et permettant une large amplification du signal Raman. La surface du levier est recouverte d’une nano-couche métallique d’or, suivi par des réactions biologiques pour l’immobilisation d’un récepteur moléculaire, créant ainsi un biocapteur sur la pointe du levier. Une détection secondaire utilisant des nanoparticules d’or conjuguées à un anticorps secondaire permet également une amplification du signal SPR et Raman lors de la détection d’antigène. Ce mémoire démontrera le développement et la validation de la détection de l’immunoglobuline G (IgG) sur la pointe du levier AFM.Dans des projets futurs, cette nouvelle technique d’instrumentation et d’imagerie sera optimisée grâce à la création d’un micro-détecteur protéique généralement adapté pour l’étude de la communication cellulaire. En intégrant le signal SPR à la microscopie AFM, il sera alors possible de développer des biocapteurs SPR couplés à une sonde à balayage, ce qui permettra d’effectuer une analyse topographique et de l’environnement chimique d’échantillons cellulaires en temps réel, pour la mesure des messagers moléculaires sécrétés dans la matrice extracellulaire, lors de la communication cellulaire. / Measurement of the local concentration of chemical messengers secreted by cells may give a better understanding of molecular mechanisms related to different diseases, such as cancer metastasis. Current techniques are not suited to perform such measurements and thus, new analytical techniques must be developed. This Master’s thesis reports the development of a new technique based on the plasmonic response of atomic force microscopy (AFM) tips, which will ultimately allow monitoring of chemical and biological molecules on the surface of a cantilever by use of surface plasmon resonance (SPR) and tip-enhanced Raman scattering (TERS). Indeed, it is possible to localize the enhancement of the Raman signal on the AFM tip using principles associated to surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), based on the absorption of light by nanometer-sized metal particles, resulting in a large enhancement of the Raman signal. The AFM tip was constructed by the deposition of a nanometer-size gold layer, followed by the assembly of a biosensor with a biomolecular receptor. Gold nanoparticles (AuNPs) conjugated with a secondary antibody served as the secondary detection step. In addition, the use of the gold nanoparticles for antigen detection allows an amplification of the SPR and Raman signals. This Master’s thesis will demonstrate the development and validation of a biosensor for immunoglobuline G (IgG) at the tip of an AFM cantilever.This thesis sets the basis for future projects, where this new imaging technique will be developed for monitoring cellular communication by exploiting the plasmonic signal at the AFM tip. Different biosensors will then be developed and coupled to an AFM probe for scanning the chemical environment and detect in real-time chemical messengers secreted in the extracellular matrix in cellular communication.

L'oxydoréduction des monocouches auto-assemblées («Self-assembled monolayers ou SAMs) de ferrocenyldodecanethiolates sur une surface d'or (Fc(CH2)12SAu) dans des solutions aqueuses de n-alkyle sulfate de sodium (6, 8, 10 et 12 atomes de carbone) est étudiée par spectroscopie de résonance des plasmons de surface («Surface Plasmons Resonance ou SPR) couplée avec de la voltampérométrie cyclique (VC). La technique SPR est utilisée pour suivre en temps réel l'adsorption des tensioactifs en fonction du potentiel appliqué. Elle permet de quantifier l'épaisseur et le recouvrement des molécules adsorbées pour déterminer l'organisation des tensioactifs anioniques sur la SAM. La VC est utilisée afin de caractériser l'oxydation du groupement ferrocène en présence des n-alkyle sulfate de sodium qui s'associent à la SAM grâce à l'appariement entre le ferrocénium et le groupement sulfate. Des mélanges binaires d'alkylesulfates de différentes compositions sont utilisés dans le but de déterminer l'organisation induite par une réaction d'oxydoréduction. L'effet de la longueur de la chaîne d'hydrocarbures sur la quantité de tensioactifs anioniques adsorbés ainsi que les affinités relatives d'appariement des anions alkyle sulfate aux ferrocéniums sont rapportés dans ce mémoire. Ces surfaces électrosensibles permettront la détection de molécules amphiphiles et la compréhension du comportement de mélanges binaires de tensioactifs. Ainsi, ces travaux apporteront une avancée sur la modulation électrochimique de l'organisation de matériaux sur des substrats solides basée sur l'appariement d'ions. / The redox-induced pairing from aqueous solution of a homologous series of sodium n-alkyl sulfate (6, 8, 10 and 12 carbon atoms) to self-assembled monolayers (SAMs) of ferrocenyldodecanethiolates on a gold surface (Fc(CH2)12SAu) is investigated by spectroscopy of surface plasmon resonance (SPR) coupled with the cyclic voltammetry (CV). The SPR technique is used to monitor in real time the adsorption of surfactant in function of the applied potential. It quantifies the adsorbed layer thickness and surface coverage to determine the organization of anionic surfactants on SAM. CV is used to characterize the oxidation of ferrocene group in the presence of sodium n-alkyl sulfates that associate with SAM through matching between the ferrocenium and sulfate group. Binary mixtures of alkylesulfates of different compositions are used to determine the structure induced by a redox reaction. The effect of the length of the hydrocarbon chain on the amount of anionic surfactants adsorbed and the relative affinities of matching the ferroceniums alkyl sulfate anions are reported in this thesis. These electrosensitive surfaces allow the detection of amphiphilic molecules and the understanding the behavior of binary mixtures of surfactants. Thus, this work will result in progress on the electrochemical modulation organizing materials on solid substrates based on the ion-pairing.

La bactérie Pseudomonas aeruginosa est un pathogène opportuniste responsable de graves infections chez les personnes affaiblies immunitairement. Présentant des souches résistantes aux antibiotiques, une nouvelle approche thérapeutique est en cours de développement avec pour objectif l’inhibition des facteurs de virulence de la bactérie. Lors de son processus d’infection, le pathogène utilise les lectines pour reconnaître et se lier de manière spécifique aux glycoconjugués des cellules-hôtes en formant une interaction lectine/glycoconjugué. Plus particulièrement, la lectine PA-IL, spécifique du galactose, a été étudiée. A l’aide de glycomimétique, il semble possible de bloquer l’action de la lectine en créant une interaction lectine/glycomimétique. Pour développer cette approche, de nombreux glycocluster sont donc été élaborés et leur affinité avec la lectine PA-IL a été évaluée par plusieurs méthodes de caractérisation (SPR, HIA, ELLA, puce à sucre,…).Dans ce projet de thèse, nous avons cherché à visualiser par microscopie à force atomique (AFM) l’arrangement des complexes lectine PA-IL/glycocluster formés pour trois glycoclusters différents. Nous avons ainsi pu montrer l’influence du cœur du glycocluster et des bras-espaceurs sur l’arrangement des complexes. Suivant le glycocluster, l’arrangement prend la forme de filaments 1D,de structures dentelées avec des bras sinueux ou encore de larges structures compactes. Dans le cas des filaments, la résolution de nos images AFM nous a permis d’identifier les lectines à l’intérieur même de la structure filaire. Nous avons aussi démontré, en observant les lectines seules, l’existence d’une interaction lectine/lectine. De plus, des expériences ont été menées pour déterminer les conditions expérimentales appropriées à leur observation à l’air et en milieu liquide. / The bacterium P. aeruginosa is an opportunistic pathogen responsible for serious infections in immunocompromised patients. It also develops some strains resistant to antibiotics. A new approach is developed to inhibit virulence factors of the bacterium. During the process of infection, the pathogen uses lectins to recognize and bind specifically to glycoconjugates of the host cells forming alectin/glycoconjugate complex. Particularly, the lectin PA-IL, specific to galactose, was studied. Using glycomimetics, it seems possible to block the action of the lectin by creating lectin/glycomimetic interaction. To develop this approach, many glycoclusters were designed and their affinity with lectin PA-IL was evaluated by various characterization techniques (SPR, HIA, ELLA, microarrays,…).In this thesis project, we have tried to visualize by Atomic Force Microscopy (AFM) the arrangement of lectin PA-IL/glycocluster complexes with three different glycoclusters. Our results show the influence of the glycocluster core and the linker on the arrangement of complexes. Depending on glycocluster, the arrangement takes the form of 1D filaments, 2D "pinked" structures with sinuous branches or large compact structures. In the case of filaments, the resolution of AFM images allows us to identify lectins along the filament. We also demonstrated the existence of lectin/lectin interactions at high concentration of lectin. In addition, some experiments were performed to determine sample preparation techniques to observe lectins in air and in liquid.

Dans les milieux naturels, la matière solide est essentiellement présente sous la forme de (bio)particules molles perméables aux ions et aux flux hydriques. Ces particules sont sans cesse soumises à des perturbations électriques/mécaniques, de telle sorte que les propriétés physico-chimiques des (bio)interphases qu'elles forment avec le milieu évoluent continûment dans le temps. Les (bio)interphases ne sont donc pas nécessairement à l'équilibre durant les processus interfaciaux (interactions électrostatiques, complexation de métaux). Dans ce contexte, nous avons évalué théoriquement l'énergie d'interaction électrostatique à l'équilibre entre (bio)particules molles multicouches de tailles et de densités de charge arbitraires. Puis nous avons déterminé l'impact de la dynamique hors-équilibre des propriétés électriques de (bio)films mous ligands sur leur capacité à former des complexes avec des métaux. Le dernier modèle théorique élaboré a pour objectif l'analyse de la dynamique de (bio)interphases multicouches hétérogènes en régimes d'équilibre et hors-équilibre. Enfin nous avons analysé à l'équilibre, en alliant l'AFM et l'électrophorèse, les propriétés mécaniques et électriques de bactéries E. coli exprimant spécifiquement (ou non) des structures de surface différentes. Toutes ces études ont montré la nécessité de prendre en compte pour l'analyse de la réactivité de (bio)particules dans leur milieu environnant (i) une représentation fidèle des (bio)particules (mollesse mécanique et hydrodynamique, hétérogénéité spatiale de la structure molle) et (ii) l'impact de la dynamique spatio-temporelle des (bio)interphases sur les processus gouvernant leur réactivité / In natural media, the solid matter is mainly present as soft (bio)particles (bacteria, viruses, humic acids) which are permeable toward ions and hydric fluxes. These (bio)particles are unceasingly exposed to electrical/mechanical perturbations, so that the physicochemical properties of (bio)interphases, developed by (bio)particles with the medium, evolve continuously. (Bio)interphases are thus not necessarily at equilibrium during interfacial processes e.g. electrostatic interactions, complexation with metallic contaminants. Under such a context, we evaluated theoretically at equilibrium the electrostatic interaction energy between soft multilayered (bio)particles with arbitrary sizes and charge densities. We then determined the impact of non- equilibrium electric properties of soft ligand polymeric (bio)films on their ability to form complexes with metals. The aim of the last theoretical model developed here is to analyze the dynamics of multilayered heterogeneous (bio)interphases in both equilibrium and non-equilibrium regimes. Finally we analyzed at equilibrium, by coupling AFM and microelectrophoresis measurements, mechanical and electrical properties of bacterial strains Escherichia coli that specifically express (or not) different surface structures (pili, fimbriae, adhesin Ag43). All these studies highlighted the necessity to integrate for the analysis of (bio)particles reactivity with their surrounding medium (i) a close representation of soft (bio)particles (mechanical and hydrodynamic softness, spatial heterogeneity of the soft material) and (ii) the impact of spatiotemporal dynamics of (bio)interphases on the processes governing their reactivity

La cucurbitacine E et l'érythrodiol sont des triterpènes naturels oxygénés ayant respectivement un squelette tétra et pentacyclique. Ils sont reconnus pour leurs diverses propriétés biologiques. Dans ce travail de thèse, nous étudions leur interaction avec les membranes des vésicules lipidiques dans le but de mieux comprendre leur pharmacodynamie. Nous avons préparé des liposomes en absence et en présence de la cucurbitacine E et de l'érythrodiol par les techniques d'évaporation en phase inverse suivie d'une extrusion, d'hydratation du film lipidique et d'injection d'éthanol. Les caractéristiques physicochimiques des vésicules lipidiques incorporant ou non la molécule triterpénique ont été étudiées par des techniques adéquates. Les analyses de la cucurbitacine E et de l'érythrodiol par la chromatographie liquide à haute performance ont montré que leurs taux d'incorporation dans les liposomes sont élevés. Les mesures de taille obtenues par la diffusion dynamique de la lumière ont démontré que les liposomes incorporant les triterpènes présentent une taille moyenne inférieure à celle des liposomes témoins. Les images obtenues par la microscopie électronique à transmission ont confirmé la formation de vésicules sphériques. Les mesures des dimensions des vésicules observées par la microscopie à force atomique (AFM), ont révélé que les liposomes incorporant la cucurbitacine E sont plus hauts et résistent mieux à la force exercée par la pointe AFM que les liposomes témoins. Par ailleurs, les liposomes incorporant l'érythrodiol sont plus fragiles que les liposomes témoins et ont tendance à éclater en bicouches lipidiques à la surface du support. Les courbes thermiques obtenues par la calorimétrie différentielle à balayage ont permis de conclure que la cucurbitacine E est localisée à l'interface polaire-apolaire de la membrane liposomiale alors que l'érythrodiol s'insère entre les chaînes acyles des phospholipides et aboutit à la formation des domaines hétérogènes au niveau de la membrane. La cinétique de libération de la sulforhodamine B, mesurée par la spectroscopie de fluorescence, a révélé que la membrane liposomiale devient, en présence de la cucurbitacine E, plus perméable à la sulforhodamine B incorporée dans la phase aqueuse interne. L'ensemble des résultats suggère que la cucurbitacine E et l'érythrodiol interagissent avec la membrane lipidique et affectent ses propriétés physico-chimiques. Leur effet sur la membrane ne semble pas être similaire. Des études ultérieures impliquant d'autres triterpènes sont envisagées pour identifier le (s) motif (s) structural (aux) et les paramètres physico-chimiques régissant leur interaction et localisation membranaire / Cucurbitacin E and erythrodiol are natural oxygenated triterpenes having respectively, a tetra and pentacyclic skeleton. They are known for their numerous biological properties. In this thesis, we studied their interaction with the membranes of lipid vesicles to better understand their pharmacodynamics. We have prepared liposomes in the absence and presence of cucurbitacin E and erythrodiol using the reverse phase evaporation technique followed by extrusion, the hydration of lipid film and the ethanol injection techniques. The physicochemical characteristics of lipid vesicles incorporating or not the triterpenic molecules were investigated by appropriate techniques. The determination of cucurbitacin E and erythrodiol in the vesicles by high performance liquid chromatography showed high incorporation efficiencies of both triterpenes. Size measurements obtained by dynamic light scattering showed that liposomes incorporating triterpenes were smaller than empty liposomes. The images obtained by transmission electron microscopy confirmed the formation of spherical vesicles. Measurements of vesicles dimensions by atomic force microscopy (AFM) demonstrated that liposomes incorporating cucurbitacin E were higher and more resistant to the force exerted by the AFM tip than the blank liposomes. Liposomes incorporating erythrodiol were more fragile and tend to break up into lipid bilayers on the mica surface. Results obtained by differential scanning calorimetry suggested that cucurbitacin E is localized at the polar-apolar interface of the liposomal membrane while erythrodiol is inserted between the acyl chains of the phospholipids leading to the formation of heterogeneous lipid domains. The release kinetics of the sulforhodamin B encapsulated into the aqueous phase and measured by fluorescence spectroscopy revealed that the liposomal membrane becomes in the presence of cucurbitacin E, more permeable to this probe. The overall results suggest that cucurbitacin E and erythrodiol affect differently

Grâce à leurs propriétés physiques/chimiques uniques, les nanoparticules colloïdales sont au cœur de nombreuses applications innovantes. Afin de faciliter leur caractérisation ou de les intégrer dans des dispositifs fonctionnels, il est nécessaire de les assembler de manière dirigée sur des surfaces solides. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de mieux comprendre et d’optimiser la technique de nanoxérographie, méthode d’assemblage dirigé où des nanoparticules sont piégées sur des motifs de charges électrostatiques. Après un premier travail consistant à améliorer le procédé de nanoxérographie, trois problématiques spécifiques ont été adressées : (i) l’assemblage de particules micrométriques. Le couplage de simulations numériques et de manipulations expérimentales a permis d’identifier les paramètres clés de l’assemblage de telles particules colloïdales et d’élargir (facteur 100) la gamme de tailles de particules assemblables par nanoxérographie. (ii) l’analyse de l’assemblage multicouche. Par le biais de nanoparticules modèles luminescentes et par la mise en place d’un nouveau protocole d’assemblage, les critères clés génériques pour l’assemblage 3D de colloïdes par nanoxérographie ont été dégagés. (ii) l’assemblage dirigé de nanogels sensibles à un stimulus environnemental extérieur. L’utilisation d’un protocole d’assemblage optimisé a permis d’élaborer des assemblages de nanogels interactifs avec leur environnement et du faire du tri sélectif de ces nanoparticules sur une même surface. / Owing to their unique physico-chemical properties, colloidal nanoparticles are building blocks for the creation of plentiful innovative devices. In order to make easier their characterization and to incorporate them into functional nano-devices, it is necessary to perfectly control their directed assemblies onto solid surfaces. In this context, this thesis’ purpose is to simultaneously better understand and optimize the nanoxerography method, which allows electrostatic and selective directing assemblies of nanoparticles onto charged patterns. After an optimization of the nanoxerography process, three specific problematics have been addressed: (1) micron-sized particles assembly. The combined use of numerical simulations and experiments enabled to unveil the key parameters involved in micron-sized particles assembly and to expend the particle size range foreseeable for an assembly by nanoxerography (factor 100). (2) the 3D assembly analysis. The influence of diverse parameters on the 3D assembly of luminescent model nanoparticles was quantified by using a new assembly protocol. The results gave the generic key criterions for the 3D assembly of colloids by nanoxerography. (3) directed assembly of nanogels sensitive to an external environmental stimulus. The use of an optimized protocol allowed elaborating nanogels assemblies interactive with their environment and to sort these nanoparticles onto the same surface.

La mémoire Flash est célèbre dans le domaine des mémoires non volatiles ; elle est actuellement extrêmement utilisée pour le stockage des données numériques dans presque tous type d'appareil électronique nomade (ordinateur portable, téléphone mobile, tablette, …). Pour dépasser ses limites actuelles (densité d'informations, rapidité d'accès, endurance), un grand nombre de recherches se développent, explorant notamment le concept de mémoires résistives (Re-RAM), qui repose sur la commutation entre deux états de résistance (ou plus) via l'application d'une tension. Les mémoires Re-RAM dont la variation de résistance dépend de réactions électrochimiques sont potentiellement de bonnes candidates ; les mécanismes d'oxydo-réduction impliqués sont cependant souvent de type filamentaire, mettant notamment en jeu des migrations de cations d’éléments métalliques (provenant des électrodes), ou de lacunes d’oxygène. Ce caractère filamentaire rend difficilement atteignable la miniaturisation extrême, à l’échelle nanométrique.Dans ce but, une classe de matériaux complètement différente -utilisée dans le domaine du stockage d'énergie- est explorée. L’objectif de cette thèse est ainsi d’approfondir l’étude des phénomènes de commutation de résistance observés sur des films de LixCoO2. Nous caractérisons d'abord les propriétés structurales et électriques, à l'échelle nanométrique, de tels films déposés sur divers types de substrats. Nous cherchons ensuite à déterminer les mécanismes électrochimiques à l’origine des modifications : celles-ci vont en effet en sens inverse pour un même signe de tension, selon que l’on se trouve dans la configuration d’un contact nanométrique pointe AFM/film, ou dans la configuration d’un contact micrométrique électrode/film/électrode. Dans la première configuration nous déterminons les réactions électrochimiques impliquées. Dans la deuxième, nous proposons un mécanisme radicalement différent, corroboré par plusieurs résultats convergents. Enfin, nous exposons de premiers résultats prometteurs, relatifs à l’applicabilité potentielle de ces films aux mémoires Re-RAM, et au-delà, aux circuits neuromorphiques (états multiples de résistance – phénomènes d'additivité). / Flash memory has been famous in the field of non-volatile memory; currently it is extremely used for digital data storage in almost type of mobile electronic device (laptop, mobile phone, tablet ...). To overcome its current limitations (information density, access speed, endurance), a large number of research develop, especially exploring the concept of resistive memory (Re- RAM), which is based on switching between two resistance states (or more) via the application of a voltage.The Re-RAM whose resistance change depends on electrochemical reactions are potentially good candidates; the involved redox mechanisms are often, with particular cations migration of metal elements (between the electrodes), or oxygen deficiencies. This filamentary nature makes difficult to achieve extreme miniaturization at the nanoscale.For this purpose, a completely different class of materials - used in the field of energy storage - is explored. The objective of this thesis is thus to deepen the study of resistance switching phenomena observed in films LixCoO2. We first characterize the structural and electrical properties at the nanoscale, such films deposited on various types of substrates. We then seek to determine the electrochemical mechanisms underlying modification: they are in effect in reverse for the same sign of potential, as it is in the configuration of a contact nanoscale AFM tip / film, or in the configuration of a micrometer contact electrode / film / electrode. In the first configuration we determine the electrochemical reactions involved. In the second, we propose a radically different mechanism, supported by several converging results. Finally, we present promising first results regarding the potential applicability of these films to Re - RAM, and beyond, the neuromorphic circuits (multiple resistance states - additivity phenomena).

La microscopie de grille à balayage (SGM pour Scanning GateMicroscopy), développée à la fin des années 1990, est devenue un outilpuissant pour étudier les propriétés électroniques locales dans lesnano-dispositifs semi-conducteurs. La SGM est basée sur la techniqueAFM, mais la pointe métallique est utilisée comme une grille mobilecouplée capacitivement au dispositif, et les propriétés de transportélectronique sont étudiées sous l'influence de cette grille,fournissant des informations spatiales à haute résolution. Cette thèsedécrit d'abord le remplacement de la détection optique de notresystème AFM par une détection piézo-électrique utilisant un diapason àquartz, puis les résultats de mesures SGM sur divers nano-dispositifs,qui sont tous fabriqués à partir d'hétérostructures InGaAs / InAlAscontenant un gaz d'électrons bi-dimensionnel (2DEG) de grande mobilitésitué à quelques dizaines de nanomètres sous la surface. Sur unesimple constriction, nous étudions l'interaction pointe-échantillonavec deux approches: la force électrostatique et l'effet capacitif.Sur une boite quantique, nous étudions les phénomènes de blocage deCoulomb lorsque la pointe est utilisée comme une grille pour modulerla charge à l'intérieur de la boite. Dans un travail sur le paradoxede Braess, avec l'aide de simulations numériques, nous découvrons uneffet paradoxal en modulant la largeur du canal central dans undispositif mésoscopique en forme de double anneau, en analogie avec leparadoxe qui se produit dans un réseau classique. Par une étudedétaillée de l'évolution de la conductance, nous découvrons enfinplusieurs pièges de charge dans les images SGM, et proposons un modèlepour interpréter le changement de conductance en présence de pièges decharge. Nous développons alors une méthode pour imager directement lespièges de charge par des mesures de transconductance avec unemodulation de la tension sur la pointe. / Scanning gate microscopy (SGM), developed in the late 1990's, has become a powerful tool to investigate the local electronic properties in semiconductor nano devices. SGM is based on the AFM technique but the metallic tip is used as a movable gate capacitively coupled to the device, and the electron transport property is studied on influence of this gate, providing spatial information with high resolution. This thesis presents the update of the force detection mode of our AFM system from optical method to force sensing by a quartz tuning fork, and the SGM measurement results on various nano devices, all of which are fabricated from InGaAs/InAlAs heterostructures containing a high mobility 2DEG located a few tens of nanometers below the surface. On a 2DEG constriction, we investigate the tip-sample interaction with two approaches: the capacitive force and the gate effect. On a quantum dot, we study the Coulomb blockade phenomena where the tip is used as a gate to modulate the charging/discharging inside the dot. In a work on Braess paradox, with the help of numerical simulations, we discover a Braess paradox effect by modulating a channel width in a ‘double-ring' shaped mesoscopic device in analogy with the one that occurs in a classical network. By a detailed study of the conductance changes, we discover several charge traps from the SGM map, and propose a model to interpret the conductance change with the presence of charge traps. We develop a method to directly image the charge traps by transconductance measurements with a voltage modulation on the tip.

La compréhension des mécanismes à l’origine de la progression métastatique des tumeurs mammaires reste une préoccupation constante en cancérologie et nécessite la découverte de nouveaux marqueurs prédictifs. Dans ce sens, le laboratoire a montré que la protéine DDB2 (Damaged-DNA Binding 2) était impliquée dans la tumorigenèse mammaire, en favorisant la prolifération et en réduisant le pouvoir invasif des cellules tumorales. Les propriétés invasives des cellules étant étroitement liées à leurs capacités d’adhérence, nous nous sommes intéressés au rôle de DDB2 dans l’adhérence des cellules tumorales mammaires. L’étude des propriétés d’adhérence et mécaniques a révélé une baisse de l’adhérence des cellules exprimant DDB2 sur des supports neutres ainsi qu’une augmentation de l’élasticité membranaire, associées une baisse du réseau d’actine corticale. Afin de comprendre les mécanismes mis en jeu, une analyse transcriptomique a été réalisée et révèle une diminution du niveau d’expression du gène codant le TGFß1 dans les cellules exprimant DDB2. Ainsi dans un second temps, nous avons étudié l’influence de DDB2 sur la voie du TGFß1. Nos résultats montrent que DDB2 inhibe transcriptionnelle des Smads en se fixant à proximité des éléments de réponse des Smads entraînant ainsi une diminution de leur présence sur le promoteur de leur gène cible. L’ensemble de ces résultats indique que DDB2 modulerait les propriétés nanomécaniques membranaires des cellules tumorales mammaires et la voie de signalisation induite par le TGFß1. Ce travail confirme donc l’importance clinique de la protéine DDB2 en tant que nouveau marqueur prédictif de la progression métastatique dans le cancer du sein / Understanding of mechanisms allowing metastatic progression remains a major issue in cancer research and requires discovery of new predictive markers. Thus, the laboratory has highlighted that DDB2 protein (Damaged-DNA Binding 2) is an important factor in breast tumorigenesis, by increasing proliferation and reducing invasive abilities of breast tumor cells. Migratory and invasive properties being closely related to adhesive properties, the aim of this work has been to study the involvement of DDB2 in breast cancer cell adhesion. First, adhesive and mechanical properties have been assessed, and reveal that DDB2 expression is associated with a decrease of adhesion on neutral surfaces, a decrease of cell stiffness in DDB2-expressing cells, related to the loss of cortical actin cytoskeleton. To understand molecular mechanisms involved in DDB2-dependent modulation of these properties, a transcriptomic study has been performed and shows the transcript level of gene encoding TGFß1 is modulated according to DDB2 expression level. Second, we have studied the influence of DDB2 on the TGFß signaling pathway. Our results show that DDB2, inhibits Smads transcriptional activity by binding near Smads responsive elements and decreasing so their binding on target genes promoter. Taken together, these data indicate that DDB2 could modulate nanomechanical properties of breast tumor cell membranes and the TGFß1 signaling pathway. The present work also confirms the clinical importance of DDB2 in breast tumorigenesis as a new predictive marker of metastatic progression of breast cancer

Le Laboratoire de Recherche en Nanosciences EA 4682 s’est récemment équipé de la microscopie à force atomique haute-vitesse (HS-AFM) permettant la visualisation en temps réel des dynamiques d’interactions d’un panel infini d’échantillons biologiques à l’échelle nanométrique. De nombreux champ de recherche nécessite la mise au point de techniques permettant à la fois une imagerie dynamique (vidéomicroscopie) mais également de plus en plus une imagerie haute résolution (microscopie champ proche). Ce couplage a été récemment obtenu grâce au développement de la microscopie à force atomique ultra-rapide. La limitation actuelle de ce microscope ultra-rapide, à savoir l’acquisition d’informations en relation uniquement avec la surface de l’objet biologique étudié, crée un rempart à l’obtention de connaissances nouvelles sur les dynamiques sous-jacentes que renferment certains systèmes biomoléculaires. Pour s’affranchir de cette contrainte, nous nous proposons dans ce projet de faire évoluer notre outil de nanocaractérisation en lui ajoutant des fonctionnalités optiques et des fonctionnalités permettant de faire de la spectroscopie de force. La conduite de ce projet se fera selon un travail de développement instrumental scindé en deux grandes étapes : - l’apport d’outils de microscopie optique conventionnels : FRAP – FRET – FLIM – Fluorescence – TIRFM. Nous couplons ainsi la nanocaractérisation hautement résolue spatialement et temporellement avec des informations intrinsèques de nos échantillons. Cette complémentarité apparaît de plus en plus comme fondamentale dans les demandes des biologistes. - la mise au point de protocoles de fonctionnalisation de leviers AFM afin de réaliser de la spectroscopie de force et ainsi obtenir des informations sur les propriétés mécaniques des échantillons biologiques. Ce projet de recherche sera réalisé au Laboratoire de Recherche en Nanosciences EA 4682, Université de Reims Champagne Ardenne sous la direction du Pr. Michael Molinari et du Dr. Maxime Ewald récemment recruté en tant que maître de conférences (sept. 2013) et qui pu démarrer la thématique de la microscopie AFM haute-vitesse au sein de l’équipe. Il s’effectuera en collaboration avec le Pr. T. Ando du Biophysics Lab’ de l’Université de Kanazawa (Japon) pour la partie instrumentation, et avec le Dr. Gabriel Paës pour l’étude des échantillons biologiques. Les objets étudiés lors de cette thèse seront liés au projet ANR Lignoprog qui vient de démarrer au 1er novembre 2014 porté par Dr. Gabriel Paës (INRA UMR FARE, Reims). Dans ce projet, des échantillons biologiques se doivent d’être caractériser en dynamique. Ils concernent la biomasse lignocellulosique (BL), réseau complexe de polymères constituant les parois végétales (PV). La complexité architecturale et chimique de la BL est un frein à sa conversion industrielle. Pour atteindre ce but, non seulement la fraction cellulosique mais aussi les fractions hémicellulosiques et ligneuses doivent être valorisées, sinon les bio-raffineries ne seront pas compétitives. Le principal challenge à relever est celui du coût élevé et de la relative faible efficacité de l’étape de déconstruction enzymatique de la BL. Avec les fonctionnalités d’imagerie développées dans ce projet, nous espérons apporter des éléments de réponses sur la déconstruction enzymatique. Par ailleurs, même si les objets étudiés seront principalement ceux du projet Lignoprog, une validation du dispositif pourra être réalisée en parallèle sur d’autres échantillons biologiques tels que des cellules vivantes seront envisagées : caractérisation, mise en évidence leur réactivité vis-à-vis des divers paramètres physiologiques du milieu (pH, concentration, composition), corrélation de ces résultats avec leurs propriétés mécaniques. / Our laboratory recently acquired a high-speed atomic force microscope (HS-AFM) which enables us to visualize in real time a wide range of biological samples and their dynamics of interaction at nanoscale. Several research fields require the development of new techniques in order to get high resolution imaging and dynamic imaging at the same time. This is why HS-AFM was developed. Its current limitation is that the only data it provides are about the surface which means we can’t get access to what occurs beneath. This is limiting the knowledge we could get about the underlying dynamics of some biomolecular system. In order to overcome this issue, we propose to upgrade this nanocharacterization tool by combining optical microscopy and force spectroscopy. This project of instrumental development will be in two major steps: - the adding of conventional optical microscopy : fluorescence, TIRFM, FRAP, FRET, FLIM. The aim is to nanocharacterize sample with highly spatiotemporal data combined in combination with integral data (fundamental to respond to biological issues) - the development of tip functionalization protocols in order to achieve force spectroscopy and get mechanical properties of biological samples This project will take place at the Laboratory of Research in Nanosciences, EA 4682, University of Reims Champagne Ardennes, under the supervision of Pr. Michael Molinari and Dr. Maxime Ewald who started HS-AFM among our team. We will collaborate with Pr. T. Ando from the Biophysics Lab of Kanazawa University (Japan) for the instrumental part and with Dr. Gabriel Paës for the biological samples. The samples used during this thesis will be linked to an ANR project called Lignoprog directed by Dr. Gabriel Paës (INRA, UMR FARE, Reims) and started on the first of November, 2014. In the project, the dynamical aspect of the biological samples is essential. Indeed, lignocellulosic biomass is a complex network of polymers composing plant cell wall. Its architectural and chemical complexity prevents its industrial conversion. In order to be cost-effective, bio refineries need to valorize all the fractions: cellulose, hemicelluloses and lignins. The major challenge is the high cost and low efficiency of the enzymatic hydrolysis of the lignocellulosic biomass. Our aim is to bring some answer to understand better and improve enzymatic hydrolysis thanks to the HS-AFM and the combination of new functionalities. By the way, the disposal might be validated on other biological samples in parallel, such as live cells in order to characterize them, enlighten their reactivity in response to physiological parameters of the medium (pH, concentration, composition) and correlate the results with mechanical properties.