La désintégration beta du neutron est définie par divers coefficients de corrélation mesurables qui sont utilisés pour déterminer des paramètres du Modèle Standard et rechercher de nouvelle physique. L'objectif du spectromètre aSPECT est de mesurer le coefficient a de corrélation angulaire entre l'électron et l'antineutrino avec une précision sans précédent de 1%. Ce coefficient est extrait à partir d'une mesure de haute précision du spectre d'énergie des protons. Un point central de cette thèse est l'analyse du bruit de fond, motivée par les observations de décharges durant le temps de faisceau de 2011, et par une précédente indication d'une dépendance sur le potentiel de sélection des protons. Au cours de cette thèse, plusieurs mesures ont été réalisées hors ligne, en absence de particules ionisantes issues de la désintégration du neutron. Un bruit de fond "interne" (rayons-X et ions) a été identifié. Son influence sur da/a est de l'ordre de 10^-5 à 10^-4 suivant le niveau du vide (~10^-9 mbar) et la configuration du spectromètre. L'analyse des données du temps de faisceau en 2013 permet de construire un modèle de correction des différents bruits de fond présents dans l'expérience de désintégration du neutron, en considérant sa dépendance dans le temps. La correction est d'environ 3% sur le coefficient pour une configuration et un vide standard, mais elle peut atteindre 7% dans une configuration défavorable. Pour réduire ce bruit de fond, un champ électrique de dérive est appliqué au-dessus du maximum du potentiel de sélection. Des mesures supplémentaires réalisées durant ce temps de faisceau incluaient des tests systématiques comme les effets de bord (profil du faisceau) et différentes configurations des électrodes. Afin d'obtenir le résultat final, l'analyse doit être complétée en incluant les différentes corrections et en la comparant avec des simulations des effets systématiques. / Neutron beta-decay is parametrized by several measurable correlation coefficients which are used to determine parameters of the Standard Model and to search for new physics. The aim of the retardation spectrometer aSPECT is to measure the electron-antineutrino angular correlation coefficient a with an unprecedented accuracy of well below 1%. The coefficient is extracted from a high precision measurement of the proton energy spectrum. A central point of this PhD thesis is the analysis of the background, motivated by the observations of discharges during the beam time of 2011, and an earlier indication for a dependence on the retardation potential. During this thesis, several measurements were conducted off-line, without ionizing particles from neutron decay. An "internal" background (X-rays and ions) was identified. It has an influence of 10^-5 to 10^-4 on da/a depending on the vacuum level (~10^-9 mbar) and the spectrometer settings. Within the analysis of the data from the beam time in 2013, a model was built to correct for backgrounds present in neutron decay experiment, taking into account its time dependence. The correction is about 3% on the coefficient for standard settings and vacuum but it can reach 7% for unfavorable settings. To reduce the background, a drift electric field was applied close to the maximum of the retardation potential. Additional measurements performed during this beam time included tests of systematics, in particular the edge effect (beam profile) and different electrode settings. In order to obtain the final result, the analysis has to be extended by including the different corrections and by comparing with simulations of the systematic effects.

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In der hier vorgestellten Arbeit werden neuartige Festkörper-NMR (Nuclear Magnetic Resonance) Experimente vorgestellt, die eine direkte Detektion von Protonen einbeziehen. Die Technik basiert auf einer weitgehenden Verdünnung der Protonen durch Deuteronen in vollständig isotopenmarkierten, rekombinant exprimierten Proteinen und ermöglicht Festkörper-NMR mit sehr schmalen Linienbreiten aller standardmäßig erfassbaren Kerne (Protonen, Stickstoff, Kohlenstoff) ohne Hochleistungsentkopplung. Zusätzlich werden Methoden für ein besonders hohes Signal-zu-Rausch durch Paramagnetic Relaxation Enhancement (PRE) entwickelt. Die so präparierten Proteine erweisen sich tauglich für eine stark verbesserte NMR-Charakterisierung durch eine Vielzahl neuer Struktur- und Zuordnungsexperimente, in denen Techniken aus Festkörper- und Lösungs-NMR vereint werden. Dabei können hier erstmals auch Bereiche im Protein mit einbezogen werden, die langsame Dynamik vollziehen. Die Experimente finden Anwendung auf die SH3-Domäne von alpha-Spektrin, das Alzheimer-Peptid Abeta1-40 und das Membranprotein Omp G. / In this work, novel solid-state NMR (Nuclear Magnetic Resonance) experiments are presented that imply direct detection of protons. The technique is based on extensive dilution of protons with deuterons in uniformly labelled, recombinantly expressed proteins and allows for solid-state NMR providing very narrow lines of all commonly accessible nuclei (protons, nitrogen, carbon) without high-power decoupling. In addition, methods are developed that yield a particularly high signal-to-noise through Paramagnetic Relaxation Enhancement (PRE). The accordingly prepared proteins are shown to be applicable for a significantly improved NMR-characterization by manifold new experiments for assignment and structure elucidation, in which techniques from solid-state and solution NMR are united. For the first time, also those regions in a protein can be accessed that undergo slow dynamics. The experiments are employed on the SH3-domain of alpha-spectrin, Alzheimer’s peptide Abeta1‑40, and the membrane protein Omp G.

À ce jour, nos connaissances sur les propriétés structurales et fonctionnelles des métalloprotéines sont essentiellement basées sur des structures résolues par des méthodes de diffraction à rayons X appliquées à des échantillons monocristallins. Cependant, certaines protéines ne cristallisent pas ou cristallisent sous une forme qui n’est pas manipulable ou compatible avec des techniques des diffraction, et même si une structure à très haute résolution est disponible, la nature de l’ion métallique, sa géométrie de coordination ou son état d’oxydation restent souvent indéterminés.La Résonance Magnétique Nucléaire en rotation à l’angle magique (MAS NMR) est une technique très performante pour l’étude de systèmes biologiques et pour la caractérisation de la structure du site actif des métalloprotéines paramagnétiques, mais son application à l’analyse des noyaux proches d’un site paramagnétique est limitée à cause de la résolution et de la sensibilité faibles.L’objectif de cette thèse a été de développer des méthodes RMN basées sur des hautes fréquences de rotation (60-111 kHz MAS) pour faire face à ces problématiques. Un répertoire de séquences d’impulsion pour la détection et l’attribution des noyaux à proximité d’un centre paramagnétique est proposé, et à l’aide de méthodes de calculs de pointes, les données expérimentales acquises sont converties en contraintes structurales afin de déterminer la géométrie du site actif à l’échelle atomique. Cette approche est validée avec l’analyse de sites actifs de deux protéines microcristallines contenants différents ions paramagnétiques : Fe, Cu et Co. Ensuite, des données préliminaires sur un transporteur membranaire d’ions métalliques divalents non cristalline sont présentées.Les méthodes analytiques présentées ici constituent un ensemble d’outils indispensable pour l’élucidation de la structure et la fonction des sites métalliques de systèmes macromoléculaires biologiques. / Most of our understanding of metalloproteins derives from atomic or molecular structures obtained from diffraction methods on single crystal samples. However, not all proteins are amenable for diffraction studies, and even when a highly-resolved structure is available, often the nature of the metal ion, its coordination geometry or its oxidation state are not determined. The aim of the present thesis is the investigation of structural properties of metal sites in paramagnetic metalloproteins by Magic-Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance (MAS NMR). MAS NMR is a powerful technique for the investigation of biological systems, and may represent a direct probe of the structure at the active site of paramagnetic metalloproteins. However, it suffers from limited sensitivity and resolution when applied to nuclei close to a paramagnetic center.In this thesis, we address these limitations by developing NMR methods based on ultra-fast (60-111 kHz) MAS rates. A “toolkit” of suitably designed pulse sequences is built for the detection and the assignment of nuclei in close proximity of a paramagnetic center. State-of-the-art computational techniques are also employed to convert the experimental data into structural restraints for obtaining atomic-resolution geometries of active sites. We benchmark this approach with the study of Fe, Cu and Co sites in two microcrystalline proteins, and we also provide preliminary data on a non-diffracting divalent metal ion transporter in lipid membranes. We anticipate that the techniques described here are an essential tool to elucidate many currently unanswered questions about structure and function of metal sites in structural biology.

La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) à l’état solide avec rotation à l’angle magique (MAS) est une technique de choix pour l’étude de la structure et de la dynamique de molécules biologiques peu ou non solubles. Un grand nombre d’approches ont été développées pour la reconstitution de structures tridimensionelles à partir de mesures précises de proximités internucléaires, ainsi que pour la détection de mouvements moléculaires avec une résolution atomique sur des échelles de temps couvrant plusieurs ordres de grandeur. Malgré d’impressionnants progrès, les études par RMN MAS sont cependant loin d’être réalisées en routine. Les déterminations structurelles et de dynamique sont souvent démontrées sur des préparations microcristallines modèles, mais sont encore rares pour des systèmes plus complexes tels que les fibrilles amyloïdes non cristallines ou les protéines trans-membranaires insérées dans des bi- couches lipidiques. Mon travail a pour objectif d’étendre les possibilités de la RMN MAS pour l’étude de systèmes biomoléculaires complexes dans différents états d’agrégation. Pour cela, j’ai exploité les possibilités uniques offertes par les hauts champs magnétiques (fréquence de Larmor du 1H 700, 800 et 1000 MHz) combinés avec les sondes MAS de dernières générations capables d’atteindre des vitesses de rotations supérieures à 60 kHz. Ces conditions expérimentales per- mettent d’augmenter la sensibilité de la RMN MAS à l’aide de la détection 1H à haute résolution et d’enrichir la palette de paramètres RMN rapporteurs de la dynamique des protéines. La première partie de cette thèse décrit le développement de nouvelles stratégies pour l’attribution des résonances du squelette de protéines, pour l’élucidation de structures, et pour l’étude de la dynamique du squelette peptidique et des chaînes latérales. Les méthodes présentées réduisent significative- ment les besoins en termes de temps expérimental, de quantités d’échantillon et de marquage isotopique, et permettent d’analyser par RMN des systèmes de plus hauts poids moléculaire. La seconde partie décrit l’application de la RMN MAS avec détection en 1H pour l’évaluation du rôle de la dynamique des protéines dans des processus tels que la formation de fibrilles amyloïdes et le fonctionnement de protéines membranaires. Une première application est l’étude de la tendance de la β-2 microglobuline humaine à former des fibrilles amyloïdes. Une comparaison de la dynamique du squelette peptidique de la protéine sauvage et du mutant D76N dans leur forme cristalline, ainsi que la détermination de propriétés structurales de la forme fibrillaire m’ont permis d’identifier la présence de repliements pathologiques et de formuler des hypothèses sur le mécanisme de formation des fibrilles. Finalement, la dynamique locale et globale de protéines membranaires dans des bicouches lipidiques a été étudiée. En particulier, le mécanisme d’action d’un transporteur d’alkanes, AlkL, de P. putida a été examiné dans un environnement lipidique. La détermination de paramètres pour la dynamique rapide (ps-ns) et lente (μs-ms) du squelette peptidique de la protéine en présence ou en absence de substrat met en évidence des acheminements possibles pour le transfert de molécules vers la membrane et jette les bases pour une meilleure compréhension du processus. / Solid-state NMR with magic angle spinning (MAS) has emerged as a powerful technique for investigating structure and dynamics of insoluble or poorly soluble biomolecules. A number of approaches has been designed for reconstructing molecular structures from the accurate measurement of internuclear proximities, and for probing motions at atomic resolution over timescales spanning several orders of magnitude. Despite this impressive progress, however, MAS NMR studies are still far from routine. Complete determinations, which are often demonstrated on model microcrystalline preparations, are still rare when it comes to more complex systems such as non-crystalline amyloid fibrils or transmembrane proteins in lipid bilayers. My work aimed at extending the possibilities of MAS NMR for applications on complex biomolecular systems in different aggregation states. For this, I exploited the unique possibilities provided by high magnetic fields (700, 800 and 1000 MHz 1H Larmor frequency) in combination with the newest MAS probes capable of spinning rates exceeding 60 kHz. These experimental conditions al- low to boost the sensitivity of MAS NMR through 1H detection at high resolution and to enrich the palette of probes for protein dynamics. The first part of the thesis reports on my contribution to the development of new strategies for backbone resonance assignment, for structure elucidation, and for investigation of backbone and side-chain dynamics. These methodologies significantly reduce the requirements in terms of experimental time, sample quantities and isotopic labeling, and enlarge the molecular size of systems amenable to NMR analysis. The second part describes the application of 1H detected MAS NMR to evaluate the role of protein dynamics in problems such as amyloid fibril formation and membrane protein function. I first addressed the amyloid fibril formation propensity of human beta-2 microglobulin, the light chain of the major histocompatibility complex I. I performed comparative studies of backbone dynamics of the wild type protein as well as a D76N mutant in crystals, and determined some of the structural features of the fibrillar form. This allowed to identify the presence of pathological folding intermediates and to formulate hypotheses on the mechanism of fibrils formation. Finally, I studied the local and global dynamics of membrane proteins in lipid bilayers. In particular, I investigated the mechanism of action of the alkane trans- porter AlkL from P. putida in lipid bilayers. The measurement of parameters for fast (ps-ns) and slow (μs-ms) backbone dynamics of the protein in presence or in absence of a substrate highlights possible routes for molecular uptake and lays the basis for a more detailed mechanistic understanding of the process.

La RMN du solide a récemment émergé en tant que technique très puissante en biologie structurale, permettant de caractériser au niveau atomique des systèmes qui ne peuvent être étudiés par d’autres méthodes. Des protocoles spécifiques à la RMN du solide sont à présent bien établis pour la préparation des échantillons, l’attribution des spectres et l’acquisition de contraintes structurales. Ensemble, ces protocoles ont ouvert la voie aux premières déterminations de structures tridimensionnelles de molécules biologiques à l’état solide avec une résolution atomique, et ce non seulement pour des échantillons protéiques microcristallins, mais également pour des systèmes plus complexes tels que des fibrilles ou des protéines membranaires.La détermination structurale de tels systèmes est cependant encore loin d’être une routine, et des avancées de plus large ampleur sont attendues grâce à des développements aux niveaux méthodologique et matériel. Pour cette raison, une majeure partie du travail présenté dans cette thèse a été consacrée au développement d’expériences à la fois nouvelles et sophistiquées pour améliorer la sensibilité et la résolution des méthodes déjà existantes pour attribuer les spectres et élargir les possibilités offertes par la RMN du solide en vue d’étudier la structure de systèmes protéiques plus larges. Ces développements reposent notamment sur l’utilisation de champs magnétiques très intenses et sur la rotation des échantillons à l’angle magique dans la gamme des très hautes vitesses angulaires. Nous montrons que dans ce cadre, il est possible de concevoir des expériences utilisant uniquement des champs radiofréquences à faible puissance ainsi que d’utiliser des transferts sélectifs, l’acquisition de corrélations à travers les liaisons chimiques et la détection proton.En particulier, nous montrons que des expériences de corrélation homonucléaire reposant sur des transferts scalaires deviennent une alternative compétitive aux expériences basées sur des transferts dipolaires. Deux nouvelles séquences d’impulsion permettant de détecter des corrélations 13C-13C à travers les liaisons chimiques avec une excellente résolution sont présentées; couplées à des transferts 15N-13C, elles permettent l’attribution des résonances de la chaîne principale des protéines avec une grande sensibilité.De plus, nous démontrons qu’il est possible d’obtenir des raies très fines pour les résonances de protons dans des protéines complètement protonées à l’état solide grâce à la rotation à l’angle magique à ultra-haute vitesse, sans avoir recours à la deutération. Dans ce contexte, nous avons développé de nouvelles stratégies permettant d’attribuer rapidement et de façon fiable les résonances des spins 1H, 15N, 13CO, 13CA et 13CB dans différentes classes de protéines, ainsi que pour mesurer des contraintes structurales à partir des distances entre protons. L’approche proposée repose sur la haute sensibilité des protons et accélère donc considérablement les processus d’attribution et de détermination structurale des protéines à l’état solide, comme illustré sur la protéine beta-2-microglobuline.Enfin, nous avons appliqué cette nouvelle approche pour réaliser l’attribution et l’étude structurale et fonctionnelle de trois catégories de complexes protéiques: les fibrilles amyloidogènes formées par beta-2-microglobuline, les nucléocapsides du virus de la rougeole, et les nucléocapsides d’Acinetobacter phage205. Nous avons également utilisé la technique de Polarisation Nucléaire Dynamique pour obtenir des informations sur l’ARN des nucléocapsides du virus de la rougeole.Nous considérons que les résultats présentés dans cette thèse représentent une avancée substantielle dans le domaine de la RMN du solide appliquée à la biologie structurale. Grâce aux progrès actuels dans ce domaine, l’impact de la RMN biomoléculaire à l’état solide promet d’augmenter dans les prochaines années. / Solid-state NMR has recently emerged as a key technique in modern structural biology, by providing information at atomic level for the characterization of a wide range of systems that cannot be investigated by other atomic-scale methods. There are now well established protocols for sample preparation, resonance assignment and collection of structural restraints, that have paved the way to the first three-dimensional structure determinations at atomic resolution of biomolecules in the solid state, from microcrystalline samples to fibrils and membrane-associated systems. These determinations are however still far from being routine, and larger breakthroughs are expected with further methodological and hardware developments. Accordingly, most of the work presented in this thesis consists of the development of new, sophisticated NMR experiments to improve the sensitivity and resolution of the currently existing schemes for resonance assignment and to extend the capabilities of solid-state NMR in terms of structural investigation of proteins for the analysis of large substrates. These developments notably rely on the use of very high magnetic fields and ultra-fast magic-angle spinning (MAS). We show the great potential of this particular regime, which enables the use of low-power experiments and the acquisition of selective cross-polarization transfers, through-bond correlations and 1H-detected correlations.In particular, we show that homonuclear correlation experiments based on through-bond transfers become competitive alternatives to dipolar transfer schemes. Two new pulse sequences that detect sensitive and resolved 13C-13C through-bond correlations are introduced, which coupled to 15N-13C dipolar transfer steps provide sensitive routes for protein backbone resonance assignment.Furthermore, we demonstrate that narrow 1H NMR line widths can be obtained for fully protonated proteins in the solid state under ultra-fast MAS, even without perdeuteration. In this context, we have developed new strategies for extensive, robust and expeditious assignments of the 1H, 15N, 13CO, 13CA and 13CB resonances of proteins in different aggregation states, and new schemes for the measurements of site-specific 1H-1H distance restraints. This approach relying on the very high sensitivity of 1H spins remarkably accelerates the processes of assignment and structure determination of proteins in the solid state, as shown by the assignment and de novo structure determination of native beta-2-microglobulin. Finally, we apply this new approach to perform resonance assignment and to study structural and dynamic features of three complex protein aggregates: amyloid fibrils formed by native and D76N beta-2-microglobulin, Acinetobacter phage 205 nucleocapsids and measles virus (MeV) nucleocapsids. We also used Dynamic Nuclear Polarization to obtain the first information about RNA in MeV nucleocapsids.We believe that the results presented in this thesis represent a substantial step forward for solid-state NMR in structural biology. With all the current advances in the field, the impact of biomolecular solid-state NMR is likely to increase in the next years.