De nombreuses protéines doivent localiser de courtes séquences-cibles sur de longues molécules d'ADN. Le temps nécessaire à cette localisation est souvent beaucoup plus court que celui qui résulterait d'une diffusion 3D des protéines. Plusieurs mécanismes ont été suggérés pour rendre compte de l'efficacité remarquable du processus de localisation (diffusion 1D le long de l'ADN, sauts...). Cependant, malgré les nombreuses études menées par des biochimistes depuis plus de vingt ans, en particulier sur les enzymes de restriction EcoRI et EcoRV, à ce jour aucune expérience n'a pu trancher définitivement entre les différents mécanismes proposés.<br /><br />Au cours de cette thèse, nous sommes parvenus à observer en microscopie de fluorescence l'interaction entre une enzyme de restriction EcoRV individuelle et une molécule d'ADN. Pour cela, nous avons développé une technique permettant d'étirer les molécules d'ADN au-dessus d'une surface, et nous avons couplé les enzymes EcoRV à des nanocristaux semi-conducteurs, sondes très fluorescentes non sujettes au photoblanchiment. Les enzymes ainsi marquées, toujours actives, sont détectables avec une résolution spatiale de l'ordre de 10 nm et une résolution temporelle de 20 ms.<br /><br />Nous avons observé de nombreux événements d'association/dissociation d'enzymes sur les molécules d'ADN étirées. L'analyse de ces événements nous a permis de mesurer la constante de dissociation des enzymes couplées, de mettre en évidence une diffusion facilitée d'EcoRV le long de l'ADN et d'estimer les caractéristiques de cette diffusion.

La quantification du protéome à très haute sensibilitée n’est actuellement pas réalisable, et est un problème pour l’analyse de cellule isolée, d’échantillon rare ou pour la détection de protéine de faible abondance. Afin d’améliorer la sensibilité, une idée est d’utiliser un microscope capable de détecter des protéines individuellement. Il faut pour cela dans un premier temps mesurer la proportion du protéome actuellement marquée par une sonde fluorescente afin de pouvoir faire des mesures quantitatives. Avec des conditions dénaturantes et la détection des amines, on arrive à marquer jusqu’à 75% du protéome d’un lysat cellulaire, avec un marquage plus efficace quand la protéine est de grande taille. Dans un deuxième temps, il faut séparer par la taille le protéome afin de réaliser un profil protéique. Si la puce microfluidique ne permet pas la réalisation d’un profil avec une résolution, le micro SDS-PAGE en est capable en permettant également l’observation du profil par microscopie, autorisant la détection jusqu’à 10 ng de protéines par bande et ainsi permettant d'obtenir un profil à partir de seulement 100 cellules. Cette sensibilité a permis l’identification de quatre lignées cellulaires de cancer du sein, avec un fort potentiel pour une application pour le diagnostic de cellule cancéreuse provenant de petite biopsie, plus facile pour le patient. / Proteomic quantification at very high sensitivity is not achieved yet, even if they are a need to realize this quantification for the analysis of uncommon samples at a single cell level, or for the detection of low abundance protein. To improve this sensitivity, one way is to use a microscope able to detect single-molecule. In this optic, the first step to enable precise quantification is to measure the proportion of the proteome that is labeled by a fluorescent probe. When using strong denaturant conditions combined with a probe able to detect the amine of the protein, we are able to label up to 75% of the proteome from a cell lysate, with an increase in the labeling efficiency when the protein is bigger. The second step necessitates the protein separation by size in order to realize a proteome profile. Two technics were used for that, the microfluidic chip and the micro SDS-PAGE. The second one enables the possibility to scan the profile by microscopy, allowing the detection of up 10 ng of protein and then permits the analysis of only 100 cells. This sensitivity enables the differentiation of 4 different proteome profiles from cell lines originated from breast cancer, with a potential in the diagnostic of cancer cell from a smaller biopsy, allowing a less painful experience for the patient.

L’interaction de molécules organiques avec les surfaces semiconductrices permet de contrôler les propriétés physiques de ces dernières et ce, soit à travers une modification locale en utilisant des molécules individuelles, soit par la passivation de la surface par une mono-couche complète. Aussi, le contrôle de l’interaction moléculaire nous permet de modifier les propriétés intrinsèques des molécules à travers un découplage électronique partiel ou complet entre les orbitales moléculaires et la surface. Pour atteindre ces objectifs, cette thèse présente l’étude expérimentale de l’adsorption de molécules sur la surface semiconductrice à large gap de 6H-SiC(0001)-3x3. Les expériences ont été réalisées à l’aide d’un microscope à effet tunnel opérant dans les conditions d’Ultra-Haut Vide et de température ambiante (UHV RT-STM). Les résultats ont été comparés à des études théoriques employant des calculs selon la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Trois molécules on été étudié durant ce travail de thèse : C60, Caltrope et Trima. Les études STM et DFT montre que les molécules individuelles de C60 sont chimisorbé à la surface de carbure de silicium SiC(0001)-3x3 à travers la formation d’une seule liaison Si-C avec un seul adatome de silicium, contrairement aux autres surfaces semiconductrices où la molécule se chimisorbe en formant plusieurs liaisons. Trois sites d’adsorption par rapport à l’adatome de Si de la maille de surface ont été observés. Pour expliquer les observations STM, les forces de Van der Waals entre la molécule de C60 et les atomes de la surface voisins ont du être pris en compte dans les calculs DFT. Il a été observé aussi que les molécules de C60 forment de petits clusters même à de faibles taux de couverture ce qui indique la présence d’un état précurseur de la molécule et des interactions intermoléculaires non négligeable. La molécule de Caltrope, nouvellement synthétisée, a été étudié aussi bien sur la surface de Silicium que celle de SiC. Le dépôt de cette molécule complexe ne peut être réalisé selon la méthode d’évaporation classique sans induire sa dissociation et a donc nécessité l'emploi de techniques d’évaporation spécifiques. Nos résultats expérimentaux montrent un comportement remarquable: le dépôt de molécule individuelle est induit sur la surface de manière efficace par la pointe du STM démontrant ainsi l’idée d’imprimerie moléculaire. Suite à son adsorption sur la surface de silicium à travers une seule liaison, la molécule de Caltrope se comporte comme un moteur moléculaire activé thermiquement. La troisième molécule a être étudié est la molécule de Trima. Elle a été sélectionnée à cause de sa taille comparable à la distance des ad-atomes de silicium de la surface de SiC. La structure chimique de la molécule qui se termine par un groupement cétone rend possible la fonctionnalisation de la surface. Ceci est révélé par les calculs DFT de la densité de charge. La distribution de charge montre qu’il n’y a pas de partage entre les atomes d’oxygènes de la molécule et les ad-atomes de la surface et donc nous avons un évidence claire pour la formation d’une liaison dative. / The interaction of organic molecules with a semiconductor surface enables the physical properties of the surface to be controlled, from a local modification using individual isolated molecules to passivation using a complete monolayer. Controlling the molecular interaction also allows us to modify the intrinsic properties of the molecules by partial or complete electronic decoupling between the molecular orbitals and the surface. To this end, this thesis presents experimental studies of the adsorption of molecules on the wide band gap 6H-SiC(0001)-3×3 substrate. The experiments were performed using Ultra-High Vacuum Room Temperature Scanning Tunneling Microscopy (UHV RT STM) and the results were compared with comprehensive theoretical Density Functional Theory (DFT) calculations. Three different molecules were studied in this thesis: C60, Caltrop and Trima. The STM and DFT studies show that individual C60 fullerene molecules are chemisorbed on the silicon carbide SiC(0001)-3×3 surface through the formation of a single Si-C bond to one silicon adatom, in contrast to multiple bond formation on other semiconducting surfaces. We observed three stable adsorption sites with respect to the Si adatoms of the surface unit cell. To explain the STM observations, Van der Waals forces between the C60 molecule and the neighboring surface atoms had to be included in the DFT calculations. The C60 molecules are also observed to form small clusters even at low coverage indicating the presence of a mobile molecular precursor state and non negligible intermolecular interactions. The second newly designed Caltrop molecule was studied on both the Si and SiC surfaces. Intact adsorption of this complex organic molecule cannot be realized using classical adsorption methods and requires the use of specific evaporation techniques. Our experimental results show remarkable behavior: The STM tip efficiently deposits single molecules one at a time, demonstrating the concept of single molecule printing. After adsorption on the Si surface through one bond, the Caltrop operates as a thermally activated molecular rotor. The third molecule to be studied is the Trima molecule. This molecule was chosen because it is commensurable in size with the surface Si adatom distance. The chemical termination of the molecule with a ketone group enables the successful functionalization of the SiC surface. The Trima molecule provides a rare and clear-cut example of the formation of two dative bonds between the oxygen atoms of the carbonyl groups and the Si adatoms of the SiC surface. This is revealed by the DFT calculations of the charge density. The charge distribution shows that there is no sharing of electrons between the oxygen atoms of the molecule and the surface which is clear evidence for the formation of a dative bond.

La luminescence induite par STM (microscopie à effet tunnel) est une source d'informations d'une grande richesse sur les processus électroniques au sein d'un objet nanoscopique individuel. Nous nous sommes intéressés à une jonction Au/Au(111) sous vide puis dans un milieu moléculaire. L'étude sous vide a permis de montrer l'influence des variations spatiales des densités d'états de la surface. L'émission à l'interface liquide-solide a été démontrée et le rôle de la fonction diélectrique du solvant mis en évidence. Nous avons ensuite étudié les corrélations temporelles entre les photons émis. Selon le liquide environnant la jonction, les photons peuvent être émis par paquets. Nous relions ce phénomène à la modification structurelle de la jonction induite par la présence d'une molécule et à la différence d'énergie entre ses orbitales frontières. Si elle est assez faible, des chemins tunnel résonants existent et les électrons traversent la barrière par paquets. L'influence d'une couche auto-assemblée sur le substrat est étudiée. Des dérivés de triphénylènes interagissent trop faiblement avec Au(111), mais avec des alcanethiols chimisorbés, la résolution moléculaire est atteinte simultanément sur l'image STM et la carte de photons. Nous montrons que le contraste sur cette dernière provient de la modulation de l'extension spatiale à l'intérieur de la barrière des densités d'état locales due à la liaison S-Au. L'élaboration de multicouches organiques est alors envisagée pour observer l'électroluminescence d'une molécule unique, isolée du substrat par les thiols et étudier des corrélations d'origine électronique. Nous avons déjà caractérisé optiquement une telle couche de C60.

L’objectif de cette thèse est d’explorer le contrôle de processus électroniquement induits dans diverses molécules fonctionnalisées adsorbées sur la surface du Si(100). Ce travail s’inscrit dans le contexte des nanosciences moléculaires et a été réalisé à l’aide d’un microscope à effet tunnel (STM) à basse température (9K). Nous avons utilisé une approche combinant étude statistique et modélisation théorique afin de pouvoir explorer la physique des divers processus observés. Cette thèse débute par l’étude de la molécule d’hexaphényle benzène (HPB) dont les phényles latéraux permettent un découplage électronique entre la molécule et la surface du silicium. Grâce à cet effet, nous avons pu contrôler la diffusion directive et réversible de la molécule d’HPB physisorbée le long des marches de type SA à la surface du Si(100)−2×1 à travers un processus combinant l’action des électrons tunnels et celle du champ électrostatique induit par la pointe du STM. Ces premiers résultats ont permis d’envisager l’étude d’un couple de molécules de tétraphényles porphyrines métalliques adsorbées à la surface du Si(100)−2×1. Il s’agit de NiTPP et de CuTPP qui, comme pour l’HPB, possèdent des cycles phényles latéraux. Plusieurs conformations d’adsorption de ces deux molécules ont été caractérisées et leurs réponses à des excitations électroniques étudiées. Ceci nous a permis, pour la molécule de NiTPP, d’aboutir au contrôle de l’activation réversible d’un bistable intra-moléculaire en dépit de la chimisorption partielle de la molécule sur le silicium. L’étude de la molécule de CuTPP, quant à elle, montre des courbes de conductance I(V) en forme d’hystérésis associées à des changements réversibles de conformations réalisant ainsi une fonction mémoire. Dès lors, nous avons pu étudier la co-adsorption des molécules de NiTPP et de CuTPP sur le Si(100) afin de réaliser un binôme moléculaire. Divers couples de molécules ont pu être étudiés. Sur l’un d’entre eux, nous avons pu activer des processus d’excitations inter-moléculaires en excitant électroniquement l’une des molécules afin d’observer un changement de conformation de la seconde molécule du binôme. Ce résultat réalise ainsi le contrôle électronique d’un dispositif bi-moléculaire en s’affranchissant des processus électroniques induits via le substrat. Enfin, à titre de perspective, ce travail de thèse présente un procédé novateur permettant le contrôle local de l’hydrogénation de la surface de Si(100). Ceci est réalisé grâce à la passivation de la pointe du STM par l’hydrogène moléculaire à 9K. Les électrons tunnels sont ensuite utilisés pour induire la dissociation intra-dimer des molécules d’H2 sur la surface du Si(100). Cette technique peut être envisagée pour la passivation du Si(100) ou pour agir localement sur des circuits moléculaires. / The objective of this thesis is to explore the control of electronically induced processes in various functionalized molecules adsorbed on the surface of silicon (100). In the context of molecular nanoscience, this work has been carried out using a scanning tunneling microscope operating at low temperature (9K). We used an approach combining statistical study and theoretical modelling in order to explore the physics of the various observed processes. This thesis begins with the study of the Hexaphenylbenzene (HPB) molecule for which the lateral phenyl rings enable the molecule-silicon surface electronic decoupling. Thanks to this effect, we could achieve a directive and reversible diffusion control of physisorbed HPB molecules along the SA silicon step edge through a process combining the joint actions of tunnel electrons and the local STM tip induced electrostatic field. These first results allowed considering the study of a couple of metaltetraphenyl porphyrin molecules adsorbed on the Si(100)-2x1 surface. Similarly to the HPB molecules, the two chosen metalloporphyrins: NiTPP and CuTPP, have lateral phenyl rings. Several adsorption conformations for these molecules were characterized and their response to electronic excitation has been studied. In the case of NiTPP, this led to the control of the reversible activation of an intra-molecular bistable despite the partial chemisorption of the molecule on the silicon surface. As for CuTPP molecule, our study revealed hysteresis behavior on the I(V) conduction curves associated with reversible conformation changes which represents the realization of a memory function. Following the study of each molecule apart, we performed the co-adsorption of the two molecules on the Si(100) surface to study molecular pairs. Various pairs of molecules have been studied. On one of them, we were able to activate an inter-molecular excitation transfer process by locally exciting one molecule and observing a conformation change of the second molecule of the pair. This result thus shows the electronic control of a bi-molecular device getting rid of substrate mediated electronic process. Finally, as a perspective, this thesis presents a novel technique allowing the controlled local hydrogenation of the Si(100) surface. This is achieved thanks to the passivation of the STM tip by molecular hydrogen at 9K. The tunnel electrons are then used to induce the intra-dimer dissociative adsorption of H2 molecules on the Si(100) surface. This technique could be considered for the passivation of Si(100) or to locally modify molecular circuits.