Cette thèse s'inscrit dans la recherche des propriétés mécaniques de la fibre de chromatine et de leur rôle. Après un rappel de connaissances sur la chromatine, nous introduisons les techniques de manipulations de molécules uniques en biophysique. Nous esposons ensuite le dispositif de pince optique que nous avons mis en œuvre ainsi que les développements plus récents de manipulations à l'aide d'un champ magnétique rotatif.<br />Nous discutons alors des résultats obtenus sur la transition B-S de l'ADN et tentons de les interpréter en invoquant une différence de comportement sous étirement selon que la séquence est riche en A-T ou en G-C. <br />Les résultats des étirements sur trois principaux types de chromatine sont ensuite présentés : force nécessaire à la rupture d'un nucléosome et longueur d'ADN libérée. En faisant varier les conditions d'étirements (essentiellement concentrations salines et concentrations en chromatine exogène), en modifiant la composition de la fibre de chromatine, nous montrons que le nucléosome n'est pas une entité stable dans les conditions diluées classique des expériences sur molécules uniques. Nous confirmons par ailleurs ce résultats avec des expériences de dilution suivit d'analyse sur gel d'électrophorèse. Les résultats établis après stabilisation nous invitent à poursuivre la discussion du déroulement du nucléosome sous tension à partir d'un modèle existant. Sur la base de ces résultats, nous tentons alors de donner une interprétation du déroulement du nucléosome que nous recadrons dans le contexte de la régulation génétique à l'échelle du nucléofilament.

Pendant le développement d'un organisme, les tissus subissent, génèrent des changements morphologiques drastiques nécessaires à l'obtention d'une forme finale ou intermédiaire spécifique et fonctionnelle. On comprend cette acquisition de formes comme un phénomène émergent résultant de l'interaction mécanique entre toutes les cellules composant le tissu. On sait que les structures de protéines du cytosquelette sont capables aussi bien de générer des forces ou de changer les propriétés mécaniques des cellules i.e de changer la réaction de celles-ci à un stress mécanique. Ces phénomènes émergents font l'objet de nombreuses études et mesures aussi bien lors d'expériences in vitro (solution de protéines purifiées) que sur cellules de cultures. Le travail décrit dans cette thèse s'est attaché à mesurer quantitativement les forces et propriétés mécaniques in vivo durant le développement d'un organisme. À terme, ces mesures sont utiles à l'élaboration d'un modèle mécanique qui amènerait une meilleure compréhension des phénomènes morphogénétiques.Pour réaliser ces mesures, un banc de mesures optiques a été développé. Il permet de réaliser des mesures de microrhéologie passives et actives durant l'extension de la bandelette germinale de l'embryon de drosophile. Des mesures quantitatives de viscosité, de raideur et de force jonctionnelle ont été réalisées. / Pendant le développement d'un organisme, les tissus subissent, génèrent des changements morphologiques drastiques nécessaires à l'obtention d'une forme finale ou intermédiaire spécifique et fonctionnelle. On comprend cette acquisition de formes comme un phénomène émergent résultant de l'interaction mécanique entre toutes les cellules composant le tissu. On sait que les structures de protéines du cytosquelette sont capables aussi bien de générer des forces ou de changer les propriétés mécaniques des cellules i.e de changer la réaction de celles-ci à un stress mécanique. Ces phénomènes émergents font l'objet de nombreuses études et mesures aussi bien lors d'expériences in vitro (solution de protéines purifiées) que sur cellules de cultures. Le travail décrit dans cette thèse s'est attaché à mesurer quantitativement les forces et propriétés mécaniques in vivo durant le développement d'un organisme. À terme, ces mesures sont utiles à l'élaboration d'un modèle mécanique qui amènerait une meilleure compréhension des phénomènes morphogénétiques.Pour réaliser ces mesures, un banc de mesures optiques a été développé. Il permet de réaliser desmesures de microrhéologie passives et actives durant l'extension de la bandelette germinale de l'embryon de drosophile. Des mesures quantitatives de viscosité, de raideur et de force jonctionnelle ont été réalisées.

Ce mémoire rapporte deux approches de la synthèse des protéines à l'échelle de la molécule unique. Nous utilisons la microscopie de fluorescence en onde évanescente pour sonder l'activité traductionnelle de deux types de ribosomes. Les premiers, issus d'E. Coli (organisme procaryote), sont mutés afin de les marquer d'un nanocristal semiconducteur (QD). La fin de la traduction, qui correspond au décrochage du ribosome de l'ARNm lorsque celui-ci atteint le codon stop, est alors mise en évidence par la disparition du QD de la surface de l'échantillon. Le deuxième type de ribosome étudié est quant à lui extrait de cellules de lapins (organisme eucaryote) et est dit "sauvage", c'est à dire qu'il n'a pas subi de modification, tandis qu'un oligonucléotide marqué d'un fluorophore est hybridé à l'ARNm. L'activité hélicase du ribosome lui permettant de séparer deux brins complémentaires, l'oligonucléotide et donc le fluorophore disparaissent en même temps que le ribosome parcourt l'ARNm, permettant ainsi de sonder l'activité du ribosome. Nous donnons pour ces deux types de ribosomes une vitesse moyenne de la traduction dans des milieux contenant les facteurs de la traduction issus d'extraits cellulaires.La deuxième approche de la synthèse des protéines porte sur les propriétés de l'ARNm, support de l'information génétique codant pour la séquence des protéines. Nous avons développé un montage de pince optique permettant de manipuler et caractériser les propriétés mécaniques d'oligonucléotides, ainsi qu'une méthode originale de calibration de ce piège optique. La cohérence de nos mesures sur l'étirement d'un double brin d'ADN avec la littérature nous permettra de poursuivre notre étude sur la mesure des forces nécessaires pour ouvrir une structure secondaire de l'ARNm. / We hereby report two approaches of the protein synthesis at the single molecule level. We use total internal reflection fluorescence microscopy to study the translation kinetic of two different types of ribosomes. The first ones, extracted from E. Coli (prokaryotic organism), are mutated in order to label them with a quantum dot (QD). The end of translation, which corresponds to the dissociation of the ribosome from the mRNA when the stop codon has been reached, is highlighted by the disparition of the QD from the surface. The second type of ribosome is extracted from rabbit cells (eukaryotic organism) and has not been modified (wild type), while a labeled oligonucleotide is hybridized on the mRNA. The helicase activity of the ribosome allowing the dissociation of two complementary strands, the oligonucleotide and so the label disappear at the same time while the ribosome moves along the mRNA and thus inform us about its activity. For these two types of ribosomes we measure their average translation speed in cell extracts.The second approach focuses on the properties of the mRNA, carrying the genetic code for the protein sequence. We developped an optical tweezer setup in order to manipulate and characterize the mechanical properties of nucleotides, as well as an original method to calibrate this optical trap. The consistency of our measurements with the litterature on the properties of a double stranded DNA will allow us to study secondary structures of mRNA.

Les fibres musculaires et les touffes ciliaires mécanosensibles de l'oreille interne des vertébrés sont deux systèmes complexes capables de développer une activité mécanique spontanément oscillatoire, dans des conditions où, au niveau moléculaire, des groupes de moteurs moléculaires opèrent au voisinage de leur force d'arrêt et sont soumis à une force de rappel élastique.<br />Nous avons construit un dispositif reproduisant in vitro une configuration semblable. Nous avons observé qu'une assemblée de myosines II musculaires, consommant de l'ATP en interagissant avec un filament d'actine, et soumise à une force de rappel élastique exercée par une pince optique, est un système minimal capable d'osciller spontanément. La relation force-vitesse du système présente un comportement non-monotone lié à l'activité des moteurs. Cette propriété fournit un mécanisme pour interpréter les oscillations spontanées, comme il l'a été suggéré par différentes études théoriques antérieures.<br />Par ailleurs, des expériences préliminaires à l'échelle de la molécule individuelle indiquent que la raideur de l'accrochage actine-myosine II pourrait dépendre de la tension imposée au filament d'actine. Cette propriété pourrait expliquer les écarts entre les raideurs mesurées in vitro et estimées à partir d'expériences sur les fibres musculaires.

Dans la partie "adhésion", nous avons montré que la dynamique d'adhésion<br />de vésicules induite par des ligands spécifiques était gouvernée soit par la diffusion<br />de ligands dans la membrane, soit par le temps de réaction entre le ligand et le<br />récepteur, dépendant de la préparation chimique des surfaces. Au contraire, les<br />premières étapes de l'adhésion de cellules semblent être contrôlées par la<br />dissipation visqueuse à l'intérieur de la cellule.<br />Dans la partie "tubes de membrane", nous avons étudié la formation et<br />l'élongation de tubes de membrane. Tout d'abord, en formant des tubes à partir de<br />vésicules adhérées, nous avons montré que l'élongation des tubes s'accompagne<br />d'un étirement élastique de la membrane. Ensuite, en analysant expérimentalement<br />et théoriquement l'interaction et la coalescence de deux tubes membranaires, nous<br />avons proposé une méthode pour déterminer la rigidité de courbure de vésicules<br />lipidiques. Enfin, nous avons revisité la description mécanique de tubes extraits de<br />globules rouges et nous avons mis en évidence un comportement rhéofluidifiant de<br />la membrane durant l'élongation, indiquant l'influence du squelette de spectrine.

Dans le cadre de l’étude expérimentale des états quantiques intriqués de particules uniques, il est nécessaire de développer des systèmes compacts, robustes et polyvalents. Motivés par la miniaturisation, la stabilité et la flexibilité apportées par les fibres optiques, nous présentons deux expériences où les fibres optiques servent d’interfaces pour piéger des atomes uniques et collecter les photons uniques émis. Dans un premier temps, en combinant une fibre optique monomode avec une lentille asphérique, un faisceau dipolaire permet de piéger un atome de rubidium unique par blocage collisionnel. Le refroidissement et le taux de pertes par collisions assistées par la lumière dans le piège dipolaire sont augmentés via une modulation de l’intensité du faisceau dipolaire dont l’effet sur la durée de vie de l’atome est expliqué. Une source fibrée de photons uniques à la demande est obtenue avec ce dispositif, produisant des photons dans un mode spatial et temporel à priori bien défini. Dans un second temps, nous présentons la conception d’une expérience couplant optimalement une chaîne d’atomes uniques piégés à une cavité Fabry-Pérot fibrée combinée avec une lentille à forte ouverture numérique pour imager et adresser les atomes individuellement. Un dispositif d’ablation laser de précision submicrométrique est alors construit pour réaliser et analyser in situ les formes de miroirs voulues à l’extrémité des fibres optiques. Nous présentons ensuite les cavités fibrées doublement résonantes avec une biréfringence contrôlée réalisées. Nous décrivons également le système expérimental construit pour la production rapide d’un nuage d’atomes froids et leur transport vers la cavité. / The experimental study of entangled quantum states of single particle ensembles requires development of compact, robust and versatile systems. Motivated by miniaturization, stability and flexibility provided by optical fibers as light wave-guides, we present two experiments where optical fibers are used as interfaces for single atoms trapping and single photons collection into their guided modes. The first experiment combines a single mode fiber with an aspherical lens to produce a dipolar beam in which we trap a single rubidium atom by collisional blockade. This fiber-pigtailed optical tweezer is a simple, compact and versatile tool for single cold atom production. Cooling and light-assisted collisional loss rate in the dipole trap are increased by modulating the dipole beam intensity. The modulation and beam polarization effects on atom lifetime are presented and explained. With this setup, we realized a triggered single photon source, whose photons have a priori well defined spatial and spectral mode due to the optical fiber and the atomic transition.In a second part, we present the design of an experiment which optimally couples a trapped single atom register to a fiber Fabry-Pérot cavity and where a high numerical aperture lens allows for individual imaging and addressing. A sub-micron precision laser ablation setup is built to create and to analyze in situ desired mirror shapes on optical fiberend faces. Then, we present the produced double resonant fiber cavities with controlled birefringence. Eventually, we describe the created experimental setup for fast cold atom cloud production and transport towards the cavity.

Les champs électromagnétiques évanescents sont à l'origine de forces optiques de champ proche, comme par exemple à la surface de guides d'onde ou de nanocavités photoniques où la lumière se trouve très fortement confinée. Ces forces sans-contact peuvent être avantageusement utilisées pour piéger et manipuler des micro- et nano-objets en solution. Cette thèse a pour but l'étude de ces interactions et de leurs potentielles applications. Le premier chapitre consiste en une brève introduction aux domaines des systèmes colloïdaux et du piégeage optique, notamment en champ proche. Le deuxième chapitre présente les moyens instrumentaux utilisés, ainsi que le procédé mis au point pour la fabrication de puces optofluidiques dotées d'un canal microfluidique. Le troisième chapitre est dédié à l'étude du potentiel de piégeage perçu par des microbilles de 2 $µm$, 1 $µm$ et 500 $nm$ à la surface d'une nanocavité photonique, et aboutit à la notion de microscopie optofluidique en champ proche optique. Dans le quatrième chapitre, nous étudions le comportement dynamique et la manipulation d'agrégats de microbilles piégés en présence d'écoulements. Le dernier chapitre est consacré à l'étude du piégeage et de la manipulation de microbilles à la surface de guides d'onde sous l'action de modes copropagatifs. / Near-field optical forces arise from evanescent electromagnetic fields, such as in the near-field of photonic waveguides and nanocavities where light is highly confined. These contactless forces can be advantageously used to trap and manipulate micro- and nano-objects in solution. This thesis aims at studying these intriguing interactions and investigating their potential applications. The first chapter is an introduction to the fields of colloidal systems and optical trapping, more especially using near-field optical forces. The second chapter presents the experimental setup and the process used to fabricate optofluidic chips with microfluidic channels. The trapping potential experienced by 2 $µm$, 1 $µm$, and 500 $nm$ microbeads at the surface of a photonic nanocavity is studied in the third chapter. Our results lead to the concept of optofluidic near-field optical microscopy. In the fourth chapter, we study the dynamics and the manipulation of trapped microbeads clusters in fluidic flows. The last chapter focuses on the trapping and the manipulation of microbeads at the surface of waveguides using copropagating modes.

Initialement posée en tant que paradoxe de savoir si la mécanique quantique est une théorie complète ou non, l'intrication entre systèmes physiques est devenue aujourd'hui un moyen de traiter l'information. De cet étrange lien entre information et état quantique est née l'information quantique, que les physiciens essaient de mettre en ÷uvre à travers des protocoles de communication ou de calcul quantique. Si les concepts de base ont été démontrés, le défi majeur actuellement est notre capacité à augmenter le nombre de porteurs de l'information sans perdre cette dernière. Le cadre de cette thèse s'inscrit dans cette démarche. Nous présentons une expérience de manipulation d'atomes froids de rubidium, piégés individuellement dans des pinces optiques, dont nous activons l'interaction en les excitant dans des états de Rydberg pour réaliser une opération d'intrication. Nous démontrons également le phénomène de blocage de Rydberg nécessaire à l'intrication entre les deux atomes. Enfin nous présentons nos mesures de l'interaction entre atomes, appuyées par nos modèles théoriques, pour discuter des limites de notre expérience.

Considérons un système quantique constitué de deux sous-systèmes: on dit qu'il est dans un état intriqué s'il existe des corrélations quantiques entre les états de ces derniers. La compréhension et la mise en œuvre d'états intriqués ont de nombreuses applications (métrologie quantique, étude des systèmes fortement corrélés, traitement quantique de l'information, etc.) et constituent le contexte général de ce travail de thèse. Plus en détail, nous démontrons la réalisation d'un état intriqué de deux atomes neutres piégés indépendamment. Pour cela, nous exploitons le phénomène de blocage de Rydberg : lorsqu'on essaie d'exciter simultanément deux atomes séparés de quelques micromètres vers un état de Rydberg donné, la forte interaction entre atomes de Rydberg peut empêcher cette excitation simultanée. Dans ce cas, seul un des deux atomes est excité et l'on génère ainsi des corrélations quantiques entre les états des deux atomes, c'est-à-dire de l'intrication. Dans notre expérience deux atomes de rubidium 87 dans l'état fondamental 5S1/2 sont piégés chacun dans une pince optique microscopique, à une distance relative de 4 micromètres. En réalisant des transitions entre l'état 5S1/2 et l'état de Rydberg 58D3/2 par des transitions à deux photons, nous obtenons un état intriqué des deux atomes dans les sous-niveaux 5S1/2, F=1, mF=1 et 5S1/2, F=2, mF=2. Afin de quantifier l'intrication, nous mesurons la fidélité par rapport à l'état-cible en réalisant des transitions Raman entre ces deux sous-niveaux. La fidélité des paires d'atomes présentes à la fin de l'expérience est supérieure à la valeur seuil de 0,5, ce qui prouve la création d'un état intriqué.

Le Dynamic Vision Sensor (DVS) est un prototype de la rétine silicium qui n'enregistre que des changements de contraste de la scène sous la forme de flux d'événements, excluant donc naturellement les niveaux de gris absolus redondants. Dans ce contexte, de nombreux algorithmes de vision asynchrones à grande vitesse basées sur l'événement ont été développés et leurs avantages par rapport aux méthodes de traitement traditionnel basé sur l'image ont été comparés. En retour haptique pour la micromanipulation, la vision est un candidat qualifié pour l'estimation de la force si le modèle position-force est bien établi. La fréquence d'échantillonnage doit toutefois atteindre 1 kHz pour permettre une sensation tactile transparente et fiable et assurer la stabilité du système. La vision basée sur l'événement a donc été appliquée pour fournir le retour d'effort nécessaire sur deux applications de micromanipulation: Le retour haptique sur la pince optique; Assistance virtuelle haptique sur micro-outil mécanique. Les résultats montrent que l'exigence de fréquence haptique de 1 kHz a été réalisée avec succès. Pour la première application, les algorithmes de détection de la position d'une microsphère à haute vitesse ont été développés. Un système de retour haptique tridimensionnel capable de manipuler plusieurs pièges optiques a été réalisé. Dans la deuxième application, un nouvel algorithme d'enregistrement de forme basé sur l'événement capable de suivre objet de forme arbitraire a été développé pour suivre une micropince piézoélectrique. La stabilité du système a été considérablement renforcée pour aider les opérateurs à effectuer des tâches de micromanipulation complexes.