Ce mémoire est divisé en deux parties indépendantes.<br /> Dans la première partie, nous étudions la dualité onde-corpuscule pour un photon unique émis par excitation impulsionnelle d'un centre coloré NV individuel dans un nanocristal de diamant. Nous présentons dans un premier temps une expérience d'interférence à un photon réalisée avec un biprisme de Fresnel et par conséquent très proche conceptuellement de l'expérience standard des trous d'Young. Cette expérience permet de discuter de la complémentarité entre interférence et connaissance du chemin suivi par la particule dans l'interféromètre. Pour pénétrer davantage dans les problèmes conceptuels soulevés par la dualité onde-corpuscule, nous décrivons ensuite la réalisation expérimentale de l'expérience de pensée de "choix retardé", qui fût proposée par J. A. Wheeler au début des années soixante-dix. <br /> La deuxième partie du mémoire est dédiée à l'amélioration des performances de sources de photons uniques. Nous décrivons ainsi la mise au point d'une nouvelle source de photons uniques fondée sur l'émission d'un centre coloré individuel à base d'impuretés de nickel dans le diamant, dont les propriétés d'émission sont bien adaptées à la cryptographie quantique en espace libre. Nous avons également mis en oeuvre une technique originale qui améliore de façon significative la photostabilité de molécules individuelles à température ambiante.

Les interactions gaz/grain jouent un rôle important dans la chimie interstellaire aussi bien dans les régions exposées au rayonnement UV qu'à l'intérieur des nuages moléculaires où se forment des manteaux de glaces autour des grains. Cependant, les modèles astrophysiques pour décrire ces processus manquent considérablement de données fondamentales décrivant l'interaction du gaz avec un grain isolé.<br />Ce travail de thèse s'inscrit dans ce cadre et vise à explorer expérimentalement les interactions gaz/grain sur des nanograins de type molécules polycycliques aromatiques hydrogénées (PAH) à différentes températures. Il utilise le dispositif expérimental PIRENEA (Piège à Ions pour la Recherche et l'Étude de Nouvelles Espèces Astrochimiques) qui présente l'originalité de coupler les performances d'un instrument de spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique à transformée de Fourier (FTICR-MS) avec un environnement cryogénique. Grâce à ce dispositif, le PAH peut être isolé de son environnement comme dans l'espace interstellaire et ses propriétés peuvent être étudiées à l'aide d'une interface photophysique (lampe UV-visible) et d'une interface chimique pour l'injection de gaz.<br />Notre étude concerne la réactivité de C24H11+ (cation du coronène déshydrogéné) avec la molécule H2O à basses températures entre 35 K et 300 K. Dans un premier temps, nous montrerons comment la densité de molécules d'H2O dans la cellule ICR peut être quantifiée à toutes ces températures par mesure traditionnelle de la pression et par mesure de l'amortissement du mouvement cyclotronique des ions. Ces résultats nous ont permis de tracer l'évolution du taux de réaction de C24H11+ + H2O avec la température du piège. Aucune dépendance avec la température n'a été mise en évidence. Nous confronterons et discuterons les résultats obtenus avec des calculs ab-initio.

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique. / The function of ion channels is finely regulated by structural changes of key domains controlling the pore opening. These structural modulations arise from interactions with the local environment, since several domains can be sensitive to specific physico-chemical properties. Movements generated in the structure become notably perceptible when channels open a passage for some ions, thus generating a measurable ionic current according to the electrochemical potential. A detailed description of these structure-function relationships is however difficult to obtain from measurements involving a set of identical channels, since the fluctuations and distributions of different individual properties remain hidden in an average. To differentiate these properties, single-molecule recordings are required. The main purpose of this thesis is to study the structural aspects and molecular mechanisms of ion channels using fluorescence spectroscopy at the single-molecule level. Studies are oriented towards the development or improvement of new methods. A class of pore-forming toxin served as a first study model. Single-molecule fluorescence was also used to study an ionotropic glutamate receptor, a glycine receptor and a prokaryotic potassium channel. The first part focuses on the study of stoichiometry using fluorescent subunit counting. This method allows a direct measure of the number of fluorescent monomers within a single complex by counting the number of step-wise fluorescence intensity decrease following photobleaching events. Here we present the first description, to our knowledge, of the dynamic assembly of a membrane protein in a lipid environment. The purified monomeric Cry1Aa toxin clusters with other monomers depending on the concentration and saturates in a tetrameric conformation. An automated method has been developed to determine the stoichiometry of GFP-tagged membrane proteins expressed on mammalian cell surface. Although this expression system is suitable for the study of proteins of mammalian origin, background fluorescence is particularly important and significantly increases the risk of error in the manual counting process. The presented method allows a fast and automated analysis based on fixed criteria. The algorithm responsible for counting fluorescent monomers was optimized from simulations and adjusts its detection parameters automatically according to the fluorescence trace recording. The composition of two ion channels was successfully verified using this program. Finally, single-molecule fluorescence is measured together with ionic current of KcsA channels using a voltage-clamp fluorometry setup. These combined recordings allowed us to describe the function of ion channels simultaneously to their position and density as they diffuse in a lipid membrane of defined composition. We observed clustering of KcsA channels for various lipid compositions. Clustering does not appear to be caused by protein-protein interaction, but rather by microdomains induced by the shape of reconstructed channels in the lipid bilayer. It seems that clustered KcsA channels could then become coupled, resulting in cooperative gating events with conductance levels multiple to the “normal” unitary channel conductance. Moreover, as opposed to what is currently suggested, KcsA does not require a negatively charged phospholipid for its function. Several of our recordings rather suggest that conically shaped lipids in the lamellar liquid crystalline phase are sufficient to allow single channel opening. Clustered channels can on the other hand overcome the energy barrier to open cooperatively in uncharged cylindrical lipids.

Human hematopoietic stem cells (HSCs) are defined by their capacity to self-renew and to differentiate into all blood lineages during an adult lifetime. Based on these unique properties, HSCs are used in transplantation procedures to treat various hematological diseases. However, the low number of HSCs in a graft limits the use of this treatment. To overcome this restrain, different approaches were established to expand HSCs ex vivo; yet, the absence of a reliable surface maker that correlates with HSC activity in culture made the assessment labor-intensive and time-consuming. Using a library of small molecules, we were able to identify pyrimidoindole derivative named UM171 as an agonist for HSC self-renewal. UM171 promotes ex vivo expansion of hematopoietic and stem cell progenitors (HSPC) independently of AhR suppression- a pathway reported by Boitano et al. to have the greatest effect in HSC expansion. Unlike AhR suppression that targets a hematopoietic population with limited proliferative potential, UM171 targets the long-term HSCs. Transcriptome analysis showed that UM171 reduces the levels of transcripts associated with lineage differentiation and induces the expression of genes encoding for membrane proteins, one of the best differentially expressed being the endothelial protein c receptor (EPCR). Cell sorting and transplantation experiments of EPCR expressing cells showed a high correlation with HSC activity. We demonstrated EPCR as a first reliable marker to enrich for HSC in culture and that it is required for HSPC function in vivo. These findings provide a valuable tool for clinical and research applications to optimize further HSPC expansion protocols and understand the molecular machinery that governs the HSC self-renewal. / Le terme de cellules souches hématopoïétiques (CSH) désigne une population rare de cellules capables de générer l’ensemble des lignages hématopoïétiques. Cette définition implique une capacité d’auto-renouvèlement, ainsi qu'un potentiel de prolifération et de différenciation important. La greffe de cellules souches hématopoïétiques est aujourd'hui une modalité thérapeutique pour le traitement de diverses maladies hématologiques et représente pour de nombreux patients un traitement de dernier recours. Malheureusement, le nombre limité de ces cellules dans une unité de sang de cordon est à l’origine du faible taux de réussite des greffes de sang de cordon chez l'adulte. Plusieurs stratégies sont actuellement mises en place pour permettre la multiplication de ces CSH ex vivo. Cependant, Il n’y a jusqu’à ce jour aucun critère ou marqueur phénotypique fiable permettant spécifiquement d'identifier ou d'isoler ces CSH amplifiées, et leur caractérisation reste un défi majeur pour les chercheurs. Dans le laboratoire, nous avons effectué un criblage à haut débit afin de tester le potentiel d’un grand nombre de molécules chimiques à multiplier des cellules souches dérivées de sang de cordon ombilical et nous avons ainsi identifié la molécule UM171, un dérivé pyrimido-indole, qui permet de multiplier par 10 le nombre de CSH et par 100 leur descendance. Nous avons démontré qu' UM171 permet de multiplier les CSH sans affecter la voie de signalisation de la protéine AhR, récemment impliquée dans l'auto-renouvèlement des CSH. L'analyse du transcriptome des CSH exposées à la molécule UM171 a permis d'identifier le récepteur endothélial à la protéine C (EPCR), comme marqueur de surface permettant de prédire le nombre et l'activité des CSH en culture et par conséquent de les isoler et de mieux les caractériser. En combinant des techniques de cytométrie de flux et d'ARN interférents avec des expériences de transplantation à long terme dans des souris immuno-déficientes, nous avons pu démontrer qu' EPCR peut être considéré non seulement comme un premier marqueur fiable pour enrichir les CSH en culture mais aussi qu'il est nécessaire pour la fonction de ces CSH in vivo. Les résultats de ces travaux représentent une avancée majeure pour accélérer les recherches et les applications cliniques sur l'expansion des CSH ex vivo et permettra de comprendre les mécanismes moléculaires qui régissent l'auto-renouvèlement des CSH.

Nous présentons un travail expérimental contribuant à l'étude de contacts ponctuels métalliques et moléculaires à l'aide de dispositifs de jonctions brisées développés dans notre équipe. Ces techniques de jonctions brisées, utilisables dans les conditions ambiantes, sont particulièrement adaptées à deux champs disciplinaires : l'électronique moléculaire et la nano mécanique.Nous avons étudié la durée de vie de contacts métalliques d'or, qui excède rarement la dizaine de millisecondes à température ambiante. Par le biais d'une analyse statistique de mesures de conductance, nous montrons que leur durée de vie est limitée par la contrainte mécanique appliquée à la jonction. Ces résultats nous ont permis de proposer un mécanisme de rupture, et de définir des conditions optimales pour la formation des contacts à température ambiante.Nous présentons ensuite une étude préliminaire de mesure de conductance d'une molécule unique, utilisant un dispositif à jonction brisée ainsi qu'un microscope à effet tunnel.Les résultats obtenus indiquent que, si la mesure de la conductance d'une molécule unique est possible, la stabilité observée est à considérer avant d'envisager des applications. / We present here an experimental work which contributes to the study of metallic and molecular point contacts using broken junctions-based devices developed in our team. Under ambient environmental conditions, these techniques are particularly adapted to two disciplinary fields: molecular electronics and nano-mechanics.We have studied the lifetime of gold contacts, which rarely exceed ten milliseconds at room temperature.Through statistical analyses of conductance measurements, we show that this lifetime is limited by the mechanical strain applied to the junction. These results allowed us to propose a breaking mechanism, and to define optimal conditions for the formation of the contacts at room temperature. We present then a preliminary study of conductance measurements of a single molecule, using a broken junction device as well as a scanning tunneling microscope.The results indicate that, despite the conductance measure of a single molecule is possible the observed stability should be considered before envisaging applications.

Dans ce manuscrit nous décrivons des études originales sur les propriétés photophysiques des nanotubes de carbone monoparois réalisées à l'échelle de la molécule unique. Nous nous sommes concentrés sur deux problématiques : l'effet du remplissage des nanotubes par de l'eau sur leurs propriétés de photoluminescence (PL) et la création de complexes multi-excitoniques en régime de forte excitation laser. Dans ce but nous avons utilisé une combinaison de microscopie, de spectroscopie et de mesures de déclin de PL. Nos résultats montrent pour des nanotubes de différents diamètres un décalage vers le rouge des énergies d'émission pour les nanotubes remplis d'eau. De plus, des déclins de PL biexponentiels sont obtenus pour des nanotubes individuels (6,4) vides et remplis d'eau. Les temps de déclin caractéristiques de ces deux espèces de nanotubes sont distincts, avec une réduction de la composante courte pour les nanotubes remplis. Ces résultats sont expliqués par une augmentation de la constante diélectrique dans les nanotubes remplis d'eau. Notre résultat le plus conséquent a été l'observation de la génération de trions dans des nanotubes non dopés en utilisant des moyen tout optiques. L'émission du trion apparaît dans les spectres de PL comme une bande latérale décalée vers le rouge. Basé sur nos observations expérimentales, nous proposons le modèle de génération du trion suivant lequel dans un régime multiexcitonique les interactions d'annihilation exciton-exciton créent des porteurs de charge qui sont piégés dans les fluctuations de potentiel électrostatique induites par les inhomogénéités de l'environnement. L'absorption subséquente d'un photon amène à la formation d'un trion localisé sur les charges piégées. / In this dissertation we report on original experimental investigations of the photophysical properties of individual single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) at the single molecule level. We focused on two problems: the effect of water-filling nanotubes on their photoluminescence (PL) properties and generation of multi-excitonic complexes in regimes of strong laser excitation. To do so we used a combination of microscopy, PL spectroscopy and PL time decay measurements. Our results show, for different nanotube diameters, a red-shift of the PL emission energy for water-filled nanotubes. Furthermore, biexponential PL time decay behaviors are obtained for individual water-filled and empty (6,4) SWCNTs. The characteristic decay times for both species of nanotubes are distinct, with a reduction of the short component in water-filled SWCNTs. These results are explained by an increase of the dielectric constant for water-filled nanotubes. Our most consequential experimental result was the observation of all optical trion generation in undoped nanotubes. Trion emission appears in the PL spectrum as a red-shifted sideband. Based on our experimental observations, we propose a trion generation model according to which, at a multiexcitonic regime, exciton-exciton annihilation interactions create charge carriers that are transiently trapped at electrostatic potential fluctuations induced by the inhomogeneities of the environment. Subsequent photon absorption leads to trion formation localized at the trapped carriers.

Au cours de cette thèse, on étudie les systèmes différents : graphène (une monocouche de carbone), graphène fonctionnalisé et les nanofils de Bismuth en induisant la supraconductivité par l’effet proximité. On montre que l’effet proximité fonctionne comme un probe sensible pour les effets des interactions, de couplage spin-orbite, etc.La structure de band de graphène a une relation dispersion linéaire au niveau de Fermi, et le band de conductance et le band de valence est lié aux six points dans l’espace réciproque, appelé le point Dirac. Autour du point Dirac, graphène occupe d’une densité d’état faible (par rapport aux métaux). Alors le niveau de Fermi dans graphene est modulable. On fabrique les jonctions S/Graphene/S avec les contacts de matériaux différents (Al, ReW, Nb). En comparant avec la théorie, on a complété le diagramme du produit R_N I_c (R_N la résistance d’état normal, I_c le courant critique dans une jonction) vs l’énergie Thouless E_Th (une énergie caractéristique intervient dans la jonction SNS longue et dépend la partie normale). Une réduction de R_N I_c globale de la jonction courte à la jonction longue, surtout dans la limite de la jonction longue, la réduction est 10 fois plus grande que celle de la jonction courte. On l’explique par une réduction d’une énergie Thouless effective à cause l’interface S/G imparfaite. Une suppression du supercourant près du point Dirac dans les jonctions longues est considérée comme une signature de la réflexion Andreev spéculaire sur les « puddles » dans le graphène. Aussi, l’injection des paires de Cooper dans les états de bord de l’effet Hall quantique du graphène est étudiée dans cette thèse.L’interaction du couplage spin-orbite et l’effet proximité peut produire les physiques très intéressantes comme le supra de triplet, jonction π, et récemment la formation des Fermions majoranas. Motivé par ces possibilités d’explorer les nouvelles physiques, on a essayé d’induire le couplage spin-orbite dans graphène dans lequel ce couplage est initialement très faible. En greffant les molécules de Pt-porphyrines, qui tiennent un atome de Pt au milieu, on espère que le couplage spin-orbite fort dans l’atome de Pt peut « diffuser » dans le graphène. Au lieu d’avoir vu le couplage spin-orbite, on a plutôt découvert un magnétisme qui dépend la grille dans le graphène induit par les molécules. Plusieurs échantillons avec les contacts normaux ou supraconducteurs sont mesurés avant et après mettant les molécules. Un transfert de charge dans deux sens (électron ou trou) est observé à la température ambiante. Il est lié à l’alignement des niveaux de Fermi des molécules et le graphène. A basse température (~70mK), les hystérésis dans la magnétorésistance (MR) et une asymétrie en B_(//) et B_⊥ impliquent un magnétisme dans graphène. Plus spectaculaire, une asymétrie en la dépendance de la grille du supercurrent est détectée. Bismuth est un élément très lourd et un matériau avec le couplage Rashba spin-orbite fort. On a connecté les nanofils de Bismuth avec tungstène (H_c∼12T) électrodes par FIB (Focused Ions Beam) et induit l’effet proximité dans les fils. Les résultats les plus étonnants sont : (1) le supercourant se tient au champ magnétique jusqu’à 11 Tesla. (2) Il y a des oscillations dans le courant critique en fonction du champ avec une période de centaine gauss qui ressemble à celui d’une structure de SQUID (composé des deux jonctions Josephson en parallèles. (3) Sur ces oscillations, nous trouvons aussi une modulation quasi-périodique lente de quelque milles gauss. Pour expliquer tous ces phénomènes, nous proposons qu’il y a quelques canaux étroites balistiques 1D se forment aux bords des certaines surfaces qui se tiennent au champ jusqu’à 11T et se construisent une interférence entre eux. L’effet Zeeman cause une modulation de phase entre les quasi-particules dans une paire d’Andreev qui module donc le supercourant en échelle de quelques milles gauss. / In this thesis we investigated graphene and Bi nanowire systems by inducing superconducting proximity effect in them. Typically the samples are realized in the form of S/N/S junction. The special properties of these systems are revealed by observing some unusual proximity effect in them. The interplay of the superconducting proximity effect and other effects (spin-orbit coupling, Zeeman effect, quantum Hall effect, impurities, etc...) at the mesoscopic scale gives rise to new physics. Some of our main results are listed below.GrapheneWe succeeded to induce superconducting proximity effect in the very long junction limit, thus completing the diagram of the superconducting proximity effect in graphene. Since by changing the gate voltage, one changes the carrier density in graphene and eventually the transport characteristic quantities (l_e, E_Th etc...). We could scan a whole range of Thouless energy. We present a diagram of eR_N I_c vs Thouless energy compared to theoretical prediction. The Thouless energy dependence of the eR_N I_c products varies from the long junction limit to the short junction limit. The discrepancy (mainly due to the imperfect S/G interface) between theory and experiment is also limit dependent: in the short junction limit, the eR_N I_c products are smaller than the theoretical prediction (with a perfect interface) by a factor of about 3-4; in the long junction limit, however, the disagreement is increased to about 100. We show that the factor deduced from the junctions in different limits is length dependent. This can be explained by the effect of finite transmission at the S/G interface in both the critical current I_c and the induced mini-gap in the graphene. In another hand, a suppression of supercurrent near the Dirac point is observed in long junctions which is attributed to the indication of the specular Andreev reflection upon the puddles in graphene. Also the injection of the Cooper pairs into the QHE edge states is investigated in this thesis.Graphene grafted with Pt-porphyrinsBy grafting the Pt-porphyrins onto graphene, we observed a charge transfer between molecules and the graphene both for electrons and holes. One of the important consequences of the charge transfer is that when the molecules are ionized, a collective magnetic order can be formed by the long range RKKY interaction: the magnetic moments interact via the carrier in graphene. This effect is detected by a hysteretic magnetoresistance of the graphene in a perpendicular field and the asymmetric magnetoresistance in parallel field. Even more striking, the observation of a unipolar supercurrent in S/G/S junction implies that this magnetism induced by porphyrins is gate dependent. The theoretical calculations by Uchoa et al. using the Anderson model indeed find that the gate voltage should tune the impurities in graphene between non-magnetic state and magnetic state.Bi nanowireThe observation of a SQUID-like oscillations persisting up to 10 T and thousands Gauss range modulation in I_c hints to a complex physic in the W-Bi nanowire-W junctions. The results are consistent with a SQUID structure consisting of 2 edges channels which could have an I_c oscillation with period defined by the area between the two edges, typically the size of the nanowire. The origin of the edge states formation is attributed to the strong spin-orbit coupling in Bi that leads to the quantum spin Hall (QSH) state. The thousands Gauss range modulation is the consequence of the interplay between the Zeeman effect and the proximity effect. The phase accumulation in an Andreev quasiparticle pair is Δϕ=g_eff⋅μ_B⋅B_(//) (ℏv_F/L) which is of the order of few thousands Gauss. In one particular sample, a full modulation of the critical current with about 1 T range is observed. This is similar to the proximity effect in S/F/S junctions which suggests a 0-π junction transition.

Développer des méthodes efficaces pour mettre en forme les matériaux moléculaires magnétiques demeure un enjeu majeur et représente une étape essentielle en vue de possible applications. A cet égard, l’élaboration d’hybrides magnétiques présentant des propriétés de cristaux-liquides ou des systèmes solubles apparait comme une approche prometteuse. Ce travail de thèse a été axé sur la conception, la synthèse et la caractérisation de nouveaux hybrides basé sur des molécule-aimants (SMMs), des complexes à conversion de spin (SCO) et systèmes à transfert d'électrons (ET). Le chapitre I contient des informations générales et concepts théoriques sur ces trois classes de complexes magnétiques (SMM, SCO et ET) ainsi qu’un aperçu bibliographique sur les hybrides magnétiques connus. Le chapitre II est axé sur nos travaux de fonctionnalisation de molécules-aimants basés sur le complexe Mn12, en vue d’obtenir des phases cristaux-liquides. Dans le chapitre III, l’étude d’une série de complexes à conversion de spin de type Fe(II)-pyridylbenzohydrazone au sein de phases cristallines ou de phases molles est décrite. Le chapitre IV est dédié à l’étude de complexes tetra nucléaire a pont cyanure de type {Fe2M2} (M = Co2+, Ni2+),qui sont connus pour présenter des propriétés de transfert de charge ou SMM avec l’ion Co(II) etNi(II), respectivement. Dans ces trois chapitres expérimentaux, l’influence de la fonctionnalisation des ligands sur l’auto-organisation et les propriétés thermiques et magnétiques des matériaux résultants est discutée en détail. / Developing efficient methods to process molecular magnetic materials remains a considerable challenge and constitutes one of the critical steps toward possible applications. In this scope, the development magnetic hybrids featuring liquid crystal properties or improved solubility appears as a promising approach. This thesis work aimed to design, synthetize and characterize new hybridmaterials based on the single-molecule magnets (SMMs), spin crossover (SCO) and electrontransfer (ET) complexes. Chapter I contains general information and theoretical concepts on these three classes of magnetic complexes (SMMs, SCO and ET complexes), followed by a bibliographicsurvey on hybrid magnetic materials. Chapter II, rational is focused on the functionalization ofMn12-based SMM towards liquid crystalline phases. In Chapter III, a series of pyridylbenzohydrazone-based Fe(II) SCO complexes is investigated in both crystalline and soft matter phase. Chapter IV is dedicated to the study of cyanido-bridged {Fe2M2} molecular squares(M = Co(II), Ni(II)), which are known to exhibit SMM and thermally- or photo induced ET,respectively with Co(II) and Ni(II). In these three experimental chapters, the influence of ligand functionalization on self-organization, thermal and magnetic properties of the resulting materials is discussed in detail.

Chez les patients mucoviscidosiques (CF), l'épithélium des voies aériennes est souvent lésé et remodelé. Que le remodelage soit lié à l'infection et/ou l'inflammation inhérentes à la pathologie ou à un processus de régénération dérégulée reste à déterminer. Le premier objectif de cette thèse a été de déterminer le rôle de l'inflammation dans le remodelage et la régénération de l'épithélium bronchique CF. Grâce à un modèle in vitro de culture en interface air-liquide, nous avons montré qu'en absence d'infection et d'inflammation exogènes, la régénération épithéliale CF est anormale et retardée, et que l'épithélium régénéré est remodelé, en comparaison d'un épithélium régénéré non-CF. En outre, en générant une inflammation chronique dans les cultures CF et non-CF, nous avons pu attribuer un rôle pour l'inflammation endogène (mémoire inflammatoire) des cellules CF dans l'augmentation de la hauteur épithéliale et dans le développement de l'hyperplasie des cellules basales, un rôle essentiel de l'inflammation exogène dans le développement de l'hyperplasie des cellules mucipares, et l'absence d'influence de l'inflammation dans le retard de différenciation des cellules ciliées épithéliales CF. Le second objectif de cette thèse a été d’identifier une molécule susceptible d’être anti-remodelage et/ou pro-régénératrice. Les résultats obtenus montrent qu’une molécule issue des agro-ressources régionales régule l'augmentation de la hauteur épithéliale et l'hyperplasie des cellules basales et sécrétoires, favorise la différenciation des cellules ciliées, et réduit l'inflammation et de synthèse de la mucine MUC-5AC, tant dans les cultures CF quand dans les cultures non-CF soumises à une inflammation chronique. Enfin, la molécule restaure la sécrétion des ions chlorure CFTR-dépendante dans les cultures CF. Cette molécule semble donc être un candidat médicament prometteur pour le traitement de la CF. / The airway epithelium of cystic fibrosis (CF) patients is frequently injured and remodeled. Whether these alterations are related to infection and/or inflammation or to a dysregulated regeneration process remains to be elucidated. The first objective of this study was to determine the involvement of inflammation in remodeling and regeneration of the CF airway epithelium. Using an in vitro model of airway epithelial cell culture at the air-liquid interface, we demonstrated that, in absence of exogenous infection and inflammation, the CF airway epithelium regeneration was abnormal, delayed, and led to the reconstitution of a remodeled epithelium, in comparison to a non-CF regenerated airway epithelium. Moreover, by inducing a chronic inflammation in non-CF and CF cultures, we were able to attribute a role of the endogenous inflammation of CF cells (inflammatory memory) in the airway epithelium height increase as well as in the basal cell hyperplasia development, an essential involvement of exogenous inflammation in the development of goblet cell hyperplasia, and the absence of implication of inflammation in the ciliated cell differentiation delay. The second objective of this study was to identify an anti-remodeling and/or pro-regenerative molecule. The results we obtained showed that a molecule derived agro-resources regulated the increase in the airway epithelium height as well as the basal and goblet cell hyperplasia development, favored the ciliated cell differentiation, decreased the inflammation and the production of the MUC5-AC mucin, in the CF cultures an in the chronically inflamed non-CF cultures. Finally, this molecule restored chloride secretion through CFTR in CF cultures. In conclusion, the chosen molecule seems to be a promising therapeutics for cystic fibrosis.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d'imagerie médicale largement répandue dans les milieux hospitaliers pour le diagnostic de pathologies. Elle repose classiquement sur la détection du proton (IRM 1H) et permet de visualiser des tissus en profondeur avec une très bonne résolution temporelle et spatiale. Cependant, cette méthode souffre encore de sa faible sensibilité. Une des solutions consiste en l'introduction et la détection de xénon hyperpolarisé. En effet, le xénon est un gaz non toxique, très sensible à son environnement chimique et adapté pour l’IRM. Cependant, il n'est spécifique d'aucun récepteur biologique et nécessite des molécules particulièrement adaptées pour son encapsulation. La détection de cibles spécifiques se fait par des biosondes constituées de molécules cages fonctionnalisées par une antenne de reconnaissance d'un récepteur spécifique. Le xénon vient s'encapsuler dans cette molécule hôte et permet la localisation de la cible biologique. Parmi les molécules cages répertoriées dans la littérature, les cryptophanes présentent la plus forte affinité connue pour le xénon et sont donc les plus prometteuses. Les cryptophanes sont des molécules cages constituées de deux unités de type cyclotribenzylène reliées entre elles par trois chaînes pontantes. Ils ont été synthétisés pour la première fois par l'équipe d'A. Collet au Collège de France au début des années 1980. L'objectif de cette thèse a été de synthétiser et de fonctionnaliser de nouveaux cryptophanes. / Non-invasive proton magnetic resonance imaging (1H MRI) is a powerful clinical tool for the detection of numerous diseases. Although MRI contrast agents are often used to improve diagnostic specificity, this technique has limited applications in molecular imaging because of its inherently low sensitivity when compared to nuclear medicine or fluorescence imaging. Laser-polarized 129Xe NMR spectroscopy is a promising tool to circumvent sensitivity limitations. Indeed, optical pumping increases the nuclear spin polarization of xenon by several orders of magnitude (104 to 105), thus small amounts of gas dissolved in biological tissues (blood, lungs…) can be rapidly detected with an excellent signal-to-noise ratio. In addition, the high polarizability of the xenon electron cloud, which induces a very high sensitivity to its environment, makes this nucleus very attractive for molecular imaging. Detection of biomolecules can be achieved by biosensors, which encapsulate xenon atoms in molecular cages that have been functionalized to bind the desired biological target. Cage molecules such as cryptophanes have high affinity for xenon and thus appear as ideal candidates for its encapsulation. During this PhD thesis we worked on the synthesis and the functionalization of new cryptophanes.