Dans cette thèse, nous présentons le développement d'une méthode de nanoscopie optique superrésolue en trois dimensions pour résoudre des émetteurs quantiques uniques à température cryogénique. Cette méthode, appelée microscopie à saturation d'état excité (ESSat), est une technique d'imagerie confocale à balayage basée sur la saturation optique de la raie sans phonon de l'émetteur. Elle utilise un faisceau d’illumination structurée comprenant une zone d'intensité nulle au foyer de l'objectif de microscope, avec un gradient d'intensité important autour. En imageant des molécules fluorescentes aromatiques individuelles à 2 K, nous avons atteint une résolution de 28 nm dans la direction latérale et 22 nm dans la direction axiale, avec de faibles intensités laser d'environ dix kWcm-2, soit cinq ordres de grandeur inférieures à celles utilisées à température ambiante dans les méthodes de nanoscopie basées sur la déplétion par émission stimulée. Notre technique offre une opportunité unique de super-résoudre des molécules uniques séparées par des distances nanométriques et avec des résonances optiques qui se recouvrent. De plus, la méthode fournit une détermination directe de l'orientation des dipôles moléculaires à partir des images ESSat de fluorescence. La microscopie ESSat ouvre ainsi la voie à des études approfondies des interactions cohérentes dipôle-dipôle optiques entre émetteurs quantiques individuels, qui nécessitent des distances relatives nanométriques. En particulier, cette méthode permettra d'étudier les riches signatures spatiales et fréquentielles du système couplé et de manipuler leur degré d'intrication. / In this thesis, we present the development of a cryogenic super-resolution optical nanoscopy thatcan resolve molecules at nanometric distances, called the Excited State Saturation (ESSat)Microscopy.ESSat microscopy is a scanning confocal imaging technique based on the optical saturation of thezero phonon line of a single fluorescent molecule. It uses a patterned illumination beam thatcontains a ‘zero-intensity’ region at the focus of the microscope objective with a large intensitygradient around. We achieved a sub-10 nm resolution in the lateral direction and 22 nm resolutionin the axial direction with extremely low excitation intensities of few tens of kWcm-2. Comparedto other super-resolution imaging techniques, like STED, RESOLFT, etc., our technique offers aunique opportunity to super-resolve single molecules with overlapping optical resonances and thatare much closer than the diffraction limit. In addition, it is possible to determine the orientation ofmolecular dipoles from the fluorescent ESSat images. Since coherent dipole-dipole couplinginteractions between single quantum emitters have a very high coupling efficiency at short distancemuch smaller than the diffraction limit, it is important to resolve them well below it. ESSatmicroscopy thus paves a way to disclose the rich spatial and frequential signatures of the coupledsystem and to manipulate their degree of entanglement.

Dans cette thèse, nous associons mesures expérimentales et modélisation des données pour étudier l'émission spontanée d'émetteurs fluorescents en environnement nano-structuré. Le mémoire est organisé en deux parties.Dans la première partie, nous étudions le transfert d'énergie entre émetteurs fluorescents en environnement plasmonique et sur des distances micrométriques. Pour commencer, nous caractérisons le transfert d'énergie entre deux ensembles d'émetteurs situés en champ proche d'une surface d'argent. Nous déterminons ainsi la dépendance en distance du taux de transfert d'énergie sur des distances micrométriques. Nous couplons ensuite une boite quantique et une bille fluorescente à un nano-fil d'argent et nous étudions le transfert d’énergie entre ces deux émetteurs, distants de plusieurs micromètres. Nous démontrons notamment le clignotement corrélé de ces deux émetteurs grâce à l'étude de la fonction de corrélation de leur intensité de fluorescence.Dans la seconde partie, nous sondons les variations spatiales de densité locale d'états électromagnétiques induites par des environnements nano-structurés grâce à différentes techniques de microscopie à super-résolution. A l'aide d'un microscope à balayage, nous réalisons tout d’abord une étude en trois dimensions de l’interaction de champ proche entre une bille fluorescente et différentes antennes en silicium. Nous introduisons ensuite une technique stochastique permettant de déterminer expérimentalement la position et le taux d'amortissement de molécules uniques photo-activées, avec une précision de localisation de l'ordre de 10 nm. Enfin, nous utilisons l'information de Fisher afin d'estimer les bornes inférieures de l'erreur type des estimations de positions et de taux d'amortissement réalisées dans le cadre de mesures sur molécules uniques. / In this thesis, we perform experimental measurements and data modelling to investigate spontaneous emission of fluorescent emitters in nanostructured environments. The manuscript is organised into two main parts.In the first part, we study micrometre-range energy transfer between fluorescent emitters in plasmonic environments. First of all, we characterise plasmon-mediated energy transfer between ensembles of fluorescent emitters located in the near field of a silver film. We thus determine the distance dependence of the energy transfer rate over micrometre distances. We then couple a single quantum dot and a fluorescent nanobead to a silver nanowire and we study evidences of the energy transfer between the two emitters, separated by several micrometres. We notably demonstrate a correlated blinking of the two emitters through the study of the correlation function of their fluorescence intensity.In the second part, we probe sub-wavelength spatial variations of the local density of electromagnetic states induced by nanostructured environments by means of different super-resolution microscopy techniques. To start with, we perform a three-dimensional study of the near-field interaction between a fluorescent nanobead and different silicon nanoantennas using a scanning-probe microscope. We then introduce a stochastic technique to experimentally determine the position and the fluorescence decay rate of single photo-activated molecules, with a localisation precision of the order of 10 nm. Finally, we use the Fisher information to estimate lower bounds on the standard errors on position and decay rate estimates performed in the context of single-molecule microscopy.

Des matériaux ayant des propriétés émissives spécifiques peuvent être obtenus par l'organisation contrôlée de fluorophores aux échelles moléculaire, nano- et micro-métrique. Dans ce travail, l'émission de lumière bleue polarisée est obtenue par l'auto-assemblage hautement anisotrope de n-acènes alcoxylés en nano-rubans. Des techniques de microscopie de fluorescence ont été utilisées pour déterminer le mécanisme de leur croissance et ont été combinées à la cristallographie aux rayons X pour déterminer l'empilement moléculaire dans les nano-objets. L'étude a révélé que la formation des nano-rubans est induite non seulement par le mécanisme de maturation d'Ostwald très commun, mais aussi par une croissance par attachement orienté rarement démontré dans des systèmes organiques. En plus des techniques plus courantes, la microscopie en polarisation de fluorescence de molécules uniques a contribué à caraxctériser l'emplilement moléculaire, bien que les nano-objets à haute densité en chromophore constituent des échantillons très difficiles à étudier. Dans ce travail, les propriétés des nano-rubans ont été contrôlées au niveau microscopique par les conditions de croissance, ainsi que par l'addition de dopants. Ainsi, en combinant différentes molécules et une réaction photochimique sous microscopie, des rubans à motifs colorés sub-micrométriques ont été obtenus. Par ailleurs, l'assemblage orthogonal a été exploité pour développer des réseaux interpénétrés. Ces derniers se distinguent par une émission à double couleur, un transfert d'énergie entre objets et une électroluminescence aux jonctions. / Materials with specific emissive properties can be obtained by the controlled organization of fluorophores at the molecular, nano- and microscales. In this work, polarized blue light emission is achieved by the highly anisotropic self-assembly of alkoxylated n-acenes into nano-ribbons. Fluorescence microscopy techniques were used to determine the growth mechanism and were combined to X-ray crystallography to determine the molecular packing in the nano-objects. The study revealed that the formation of the nano-ribbons is induced not only by the very common Ostwald ripening mechanism but also by an oriented attachnment growth, rarely observed with such evidence in organic systems. Besides more common techniques, single molecule fluorescence polarization microscopy contributed to characterize the molecular packing, although the nano-objects with high chromophore density represent very challenging samples. In this work, the properties of the nano-ribbons have been controlled at the microscopic level by the growth conditions, as well as by the addition of dopants Thereby, combining different molecules and photochemistry at the sub-micrometer scale under the microscope, colorful patterned ribbons could be obtained. In addition, orthogonal assembly was exploited to grow interpenetrated networks. The latter demonstrated dual color-emission, as well as inter-object energy transfer and electroluminescence at junctions.

Les cassures double brin de l'ADN altèrent l'intégrité physique du chromosome et constituent l'un des types les plus sévères de dommages à l'ADN. Pour préserver l'intégrité du génome contre les effets potentiellement néfastes des cassures double brin de l'ADN, les cellules humaines ont développé plusieurs mécanismes de réparation, dont la réparation par recombinaison de l'ADN et la jonction d'extrémités non-homologues (NHEJ), catalysés par des enzymes spécifiques. Pendant ma thèse, nous avons caractérisé la dynamique de certaines des interactions protéines/ADN impliquées dans ces mécanismes au niveau de la molécule unique. Dans ce but, nous avons combiné des pinces optiques et de la micro-fluidique avec de la microscopie de fluorescence à champ large afin de manipuler une ou deux molécules d'ADN individuelles et d'observer directement les protéines de la réparation marquées par fluorescence agissant sur l'ADN. Nous avons concentré notre analyse sur trois protéines/complexes essentiels impliqués dans la réparation de l'ADN: (i) la protéine humaine d’appariement de brin RAD52, (ii) les protéines humaines XRCC4, XLF et le complexe XRCC4/Ligase IV de la NHEJ et (iii) le complexe humain MRE11/RAD50/NBS1. / DNA double-strand breaks disrupt the physical continuity of the chromosome and are one of the most severe types of DNA damage. To preserve genome integrity against the potentially deleterious effects of DNA double-strand breaks, human cells have evolved several repair mechanisms including DNA recombinational repair and Non-Homologous End Joining (NHEJ), each catalyzed by specific enzymes. In this thesis we aimed at unraveling the dynamics of protein/DNA transactions involved in DNA double-strand break repair mechanisms at single molecule level. To do this, we combined optical tweezers and microfluidics with wide-field fluorescence microscopy, which allowed us to manipulate individual DNA molecules while directly visualize fluorescently-labeled DNA repair proteins acting on them. We focused the study on three crucial proteins/complexes involved in DNA repair: (i) the human DNA annealing protein RAD52, (ii) the non-homologous end joining human proteins XRCC4 and XLF and the complex XRCC4/Ligase IV, and (iii) the human MRE11/RAD50/NBS1 complex.

Les nanocristaux de CdSe font l'objet d'applications émergentes dans les domaines de la nano-électronique, des technologies laser ou du marquage fluorescent de biomolécules. Pour ces applications, la détermination de la structure fine de l'exciton de bord de bande et des mécanismes de relaxation entre sous-niveaux est d'un intérêt majeur. Cette thèse a été consacrée à l'étude spectroscopique à basse température et sous champ magnétique de nanocristaux individuels de CdSe/ZnS. La remarquable photostabilité des nanocristaux étudiés a permis de caractériser les propriétés optiques des deux états excitoniques de plus basse énergie: l'état excitonique fondamental "noir", et l'état excitonique "brillant" situé quelques meV plus haut en énergie. Ces études ont aussi permis d'identifier un état excitonique chargé (trion) et de caractériser ses propriétés photophysiques. La possibilité de générer une cascade radiative biexciton-exciton a également été démontrée dans ces systèmes. / CdSe nanocrystals are attractive for many applications such as nanoscale electronics, laser technology, and biological fluorescent labelling. A detailed understanding of the band-edge exciton fine structure and the relaxations pathways between sub-levels are crucial for these applications. During this project we have studied the optical properties of single CdSe/ZnS nanocrystals at cryogenical temperature and under magnetic field. The dramatic photostability of the nanocrystals' emission has allowed the optical study of the two lowest exciton states: the "dark" excitonic state and the "bright" excitonic state, lying few meV above. These studies have also enabled us to identify a charged excitonic state (negative trion) and to characterize its photophysical properties. Besides we have demonstrated that in these nanocrystals, radiative cascade biexciton-exciton might be generated.

Les télomères sont raccourcis à chaque cycle de réplication de l’ADN à cause du problème de réplication des extrémités. Leur longueur dicte la capacité proliférative des cellules eucaryotes. Des télomères trop courts, aillant atteints la limite de Hayflick, feront entrer les cellules en sénescence réplicative. Pourtant dans les cellules progénitrices ainsi que 90% des cellules cancéreuses la longueur des télomères est maintenue par un complexe ribonucléoprotéique, la télomérase. L’assemblage de ce complexe ainsi que son recrutement aux télomères son des processus dynamiques sous le contrôle d’une régulation fine. Toutefois, comment cette régulation à un impact sur la dynamique de la télomérase dans le noyau n’est toujours pas complétement compris. Dans ce projet nous avons développé une nouvelle méthode se basant sur le système MS2 permettant d’observer pour la première des particules uniques d’ARN de télomérase (hTR) par microscopie à fluorescence sur cellules cancéreuse humaines vivantes. Le suivi en temps réel de ces particules aux télomères a permis de révéler que la télomérase scanne activement les télomères via des interactions courtes avec la protéine télomérique TPP1. Des interactions plus stables nécessaires à l’allongement des télomères peuvent être formées grâce à l’appariement entre hTR et l’ADN simple brin du télomère sous contrôle du domaine OB-fold de la protéine télomérique POT1. Le suivi de ces particules au cours du cycle cellulaire a révélé que ces interactions ne sont pas restreintes à la phase S, la phase d’élongation des télomères. La mesure de la dynamique de hTR dans les corps de Cajal (CBs) couplé à des expériences de photo-activation ont pu montrer que hTERT joue un rôle dans la sortie de hTR des CBs. Enfin des mesures d’intensités de fluorescence de hTR aux télomères montrent qu’une seule particule est recruté sur un télomère en phase S. / Telomeres are shortened at each DNA replication cycle, due to the end replication problem. Their length dictates the proliferative capacity of eukaryotic cells. Too short telomeres, reaching the Hayflick limit, will lead the cells to replicative senescence. However, in stem cells and 90% of cancer cells telomere length is maintained by a ribonucleoproteic complex named telomerase. The assembly of this complex and its recruitment to telomeres are process under a fine regulation. Yet, how this regulation impacts the nuclear dynamics of telomerase is not fully understood. In this project, we developed a new method based on the MS2 system to image for the first time telomerase RNA (hTR) particles in living human cancer cells by fluorescence microscopy. The real time tracking of these particles at telomeres revealed that telomerase actively scan all telomeres by short interactions with the TPP1 shelterin protein. Long stable interaction needed for telomere elongation can be made by the pairing of hTR template and single stranded telomeric DNA under the control of the OB-fold domains of the shelterin protein POT1. By tracking telomerase particle during the cell cycle, we revealed that telomerase recruitment to telomeres is not restricted to S phase, when telomeres are elongated. By measuring the dynamics of hTR in Cajal bodies (CBs) with photo-activation and photo-bleaching technics we showed that hTERT play a role in the hTR exit from CBS. Finally, fluorescence intensity measures of hTR at telomeres showed the recruitment of only one particle on a telomere.

L'insuffisance cardiaque est un réel problème de santé publique avec 1 millions de patients souffrant de cette pathologie cette année en France. Elle est définie incapacité de fournir un débit sanguin suffisant à l'organisme. Cette diminution de débit est traduite par la perte de fonction contractile du coeur provoqué par la nécrose des cellules responsable de cette fonction : les cardiomyocytes. Dans cette étude j'ai pu étudier les modifications topographiques et biomécaniques de la membrane du cardiomyocyte vivant en amont de sa rupture lors de la nécrose, par une technologie issue des nanosciences : la microscopie à force atomique (AFM). Mes travaux ont fait apparaitre une membrane très structurée chez le cardiomyocyte sain et une perte de cette architecture dans un temps précoce de l'installation de l'insuffisance cardiaque. L'utilisation de la microscopie électronique à transmission à montrer que les anomalies mises en évidences par AFM ont pour origine un réarrangement mitochondriale. Dans une seconde étude je me suis intéressée à l'organisation oligomérique d'une famille particulière de récepteur transmembranaire, les récepteurs couplés aux protéines G. Ces protéines sont une des cibles privilégiées pour les traitements pharmacologiques de l'insuffisance cardiaque tel que le bêta-bloquants et les vasodilatateurs. Ce mécanisme d'oligomérisation pourrait être la clef des effets secondaires liés à ces traitements. Afin d'étudier la conformation oligomérique, j'ai utilisé la spectroscopie de force à l'échelle de la molécule unique pour mettre en évidence différentes populations oligomérique de ces récepteurs sur la surface membranaire. Les résultats ont montré une distribution des populations oligomériques en fonction des conditions (densité de plasmide codants pour les récepteurs/stimulation avec agoniste synthétique ou naturel). Il est possible qu'il y ait une régulation des voies de signalisations par l'oligomérisation des récepteurs activés. La différence d'activité possible de chaque population oligomérique (monomère/dimère/tétramère/hexamère) semble être une explication plausible aux effets secondaire des agents pharmacologique. Mes travaux de thèse ont permis la mise en évidence de nouvelle piste par une technologie innovante, la microscopie à force atomique, dans le traitement de l'insuffisance cardiaqu / Heart failure is a public health problem with 1 million patients this year in France. This pathology is defined inability to heart pump sufficiently to maintain blood flow to meet the body's needs. This decrease is explicated by the loss of contractile function of the heart, caused by the necrosis of the contractile cells: cardiomyocytes. In this study, I was able to study the topographic and biomechanical modification of the cardiomyocyte membrane upstream of its rupture during necrosis, by technology derived from nanosciences : atomic force microscopy (AFM). My work reveals a highly structured membrane in healthy cardiomyocytes and a loss of this architecture in an early stage of the heart failure installation. In a second study I was interested in the oligomeric organization of a transmembrane receptors family , G protein-coupled receptors. These proteins are a privileged target for the pharmacological treatments on heart failure such as beta- Blockers and vasodilators. This oligomerization mechanism could be the key to the side effects associated with treatments. In order to study the oligomeric conformation, I used single molecule force spectroscopy and I reveal different oligomeric populations of these receptors on the membrane. The results showed a oligomeric populations distribution according the conditions (plasmid density coding for receptors / stimulation with synthetic or natural agonist). It is possible that there is a regulation of the signaling pathways, using the oligomerization for specific activation receptors. The possible difference in activity of each oligomeric population (monomer / dimer / tetramer / hexamer) appears to be a plausible explanation for the side effects of pharmacological agents. My thesis work allowed the discovery of a new track by an innovative technology, atomic force microscopy, in the treatment of heart failure.

Les mécanismes adhésifs jouent un rôle crucial en biologie. Les cadhérines classiques constituent une des principales familles d'adhésion cellulaire dépendante du calcium. Ces glycoprotéines transmembranaires sont impliquées dans des interactions principalement homophiles. Ces interactions régulent des voies de signalisation impliquées dans de nombreux phénomènes biologiques. Cette thèse porte sur l'étude comparative des dynamiques d'interactions des cadhérines E- et -11, prototypes respectivement des cadhérines classiques de type I et II. Le ciblage d'acides aminés particuliers de l'interface adhésive nous a permis de montrer que pour les cadhérines de type I, l'échange de brin avec le Trp2 ont un rôle clé ; pour les types II un mécanisme différent intervient. Nous avons aussi développé une chimie innovante pour contrôler l'immobilisation orientée et covalente de protéines. Enfin une revue décrit une étude de l'activation de voies de signalisation par engagement des cadhérines. / Cell adhesion receptors of the classical cadherin family are involved in Ca2+-dependent homophilic interactions. In order to dissect the molecular mechanisms of cadherin-based cellcell adhesion, this Ph.D. thesis describes a comparative dynamic study of interactions between cadherins E- & -11, chosen as classical type I and II cadherins prototypes respectively. Modifications of particular residues in the E-cadherin adhesive interface showed that the ?-strand exchange with its Trp2 had a prominent feature; for type II cadherins, a different mechanism was described involving a larger domain swapping. We then developed a new protocol for immobilizing proteins in an orientated and covalent manner on surfaces. These interactions regulate signalization pathways in various biological processes. Studies describing Stat3 activation through direct cadherin engagement are reviewed.

Cette thèse vise principalement à décorer des phtalocyanines avec des groupes de reconnaissance supramoléculaires pour induire leur auto-assemblage pour la première fois avec ces chromophores robustes imitant les bactériochlorophylles chlorosomales naturelles. D’autre part, cette thèse est également dédiée à la méthodologie de synthèse des complexes à trois étages avec des lanthanides complexant des porphyrines et phtalocyanines encombrantes.La première partie présente quelques concepts de base et des exemples segéstifs dans la biomimétique et l’auto-assemblage moléculaire. Les auto-assemblages biomimétiques des bactériochlorophylle c, d, e ont été examinés suivie par la synthèse, la séparation des régioisomères des phtalocyanines et des cellules solaires construites avec des phtalocyanines. La deuxième partie présente des travaux originaux sur une série d'antennes pour la coolléction de la lumière, comme les acylphthalocyanines qui font d'auto-assemblage avec des groupes carbonyle comme motifs de reconnaissance, un atome de zinc central et diverses chaînes alkyle de solubilisation. Ces nouveaux composés pourraient s’auto-assembler de la même manière que les bactériochlorophylles naturelles. La troisième partie de cette thèse se concentre sur les propriétés électrochimiques et magnétiques de lanthanides-porphyrine-phtalocyanine complexes sandwich ‘’triple deckers’’ volumineux, synthétisés par une nouvelle méthode sous irradiation avec des micro-ondes. Le site initial de l'oxydation ou de réduction de ce type de molécules à trois étages a d'abord été attribué par la combinaison de la spectroélectrochimie de couche mince. / This thesis mainly aims to decorate phthalocyanines with supramolecular recognition groups for inducing their self-assembly for the first time with these robust chromophores mimicking the natural chlorosomal bacteriochlorophylls. Meanwhile, this thesis is also dedicated to the synthetic methodology of bulky lanthanide porphyrin phthalocyanine triple-decker complexes. The first part provides some basic concepts and some delicate examples in biomimetics and molecular self-assembly, then biomimetic bacteriochlorophyll c, d, e self-assembles were simply reviewed, followed by the introduction on the synthesis, regioisomer separation of phthalocyanines and phthalocyanine-sensitized solar cells. The second part presents a series of light-harvesting antennas, namely self-assembling acyphthalocyanines, with carbonyl groups as recognition motifs, a central zinc atom and various solubilizing alkyl chains, which could self-assemble in the same way as the natural bacteriochlorophylls. These assemblies were characterized by UV-Vis, Variable-temperature UV-Vis and 1H-NMR spectra. The third part of this thesis focuses on the electrochemical and magnetic properties of bulky lanthanide porphyrin phthalocyanine triple-decker complexes synthesized by microwave-mediated, therein, the initial site of oxidation/reduction on this type of triple-decker molecules was firstly assigned by combining the thin-layer spectroelectrochemistry and the assignments of the electronic absorption spectra. Furthermore, the different single-molecule magnet behaviors of the corresponding Tb and Dy triple-decker complexes were also studied.

Au cours de cette thèse , nous avons étudié le fonctionnement des topoisomérases de type II en utilisant un dispositif de micromanipulation de molécules uniques d'ADN. Les topoisomérases sont des enzyme responsables de la régulation de la topologie de l'ADN in vivo, en particulier lors de la réplication, la transcription et la condensation des chromosomes. Dans une première partie, nous introduisons le formalisme topologique nécessaire à la compréhension de la structure adoptée à grande échelle par la molécule d'ADN, puis nous présentons les techniques usuelles qui permettent d'étudier la topologie de ces molécules. Dans une seconde partie, nous présentons le dispositif de micromanipulation d'ADN que nous avons utilisé. Celui-ci, basé sur l'utilisation de pinces magnétiques, permet de sonder directement les propriétés élastiques en tension et en torsion d'une molécule unique d'ADN, mais aussi d'étudier la caténation ou le tressage de molécules d'ADN. Ainsi, il offre la possibilité d'étudier en temps réel l'activité d'enzymes appelées topoisomérases qui décatènent ou modifient l'état de super-enroulement de l'ADN. Dans la troisième partie, nous présentons les résultats que nous avons obtenus sur différentes enzymes de la classe des topoisomérases de type II. Nous montrons que les expériences de molécules unique permettent une étude très fine du cycle enzymatique des topoisomérases. Par ailleurs, nous mettons en évidence le fait que la topoisomérase 4 opère une reconnaissance de son substrat, basée sur l'angle entre segments dans un croisement d'ADN. Enfin, nous présentons des expériences qui visent à comprendre les propriétés thermodynamiques particulières de ces enzymes.