Th. univ.--Phys. des liquides--Paris 6, 1998. / Bibliogr. p. 110-119. Résumé en français et en anglais. 1999 d'après la déclaration de dépôt légal.

Les Selenoprotéines sont des protéines contenant un résidu sélénocystéine (U) dans leur séquence en acide amines. Vingt-cinq sélénoprotéines constituent le sélénoprotéome humain. Parmi elles, la sélénoprotéine N ou SelenoN ; des mutations dans le gène SELENON donnent lieu à un groupe de dystrophies musculaires congénitales appelées myopathies liées à SELENON. SelenoN est une protéine membranaire glycosylée de 72 kDa localisée dans le réticulum endoplasmique. Sa séquence en acide aminés contient le motif redox SCUG, similaire à celui des thioredoxines réductases. Elle contient de même un domaine EF-hand qui est un domaine de liaison au calcium. Des études ont récemment démontré l’implication de cette protéine dans l’établissement et la maintenance du muscle squelettique. D’autres études ont montré qu’elle joue un rôle dans la protection contre le stress oxydatif et l’homéostasie du calcium. Cependant, le mécanisme catalytique de SelenoN reste inconnu à ce jour. Le projet décrit dans cette thèse s’intéresse à la caractérisation, la cristallisation et la comparaison des SelenoNs d’une bactérie, Candidatus poribacteriae, et du poisson zèbre. Les études bio-informatiques ont démontré que SelenoN bactérienne et du poisson zèbre partagent 37% d’identité et un domaine commun correspondant à un repliement de type thioredoxine de fonction inconnue, contenant le motif redox. Les caractérisations biophysiques ont démontré que les deux protéines sont naturellement bien repliées et riche en hélices α. La protéine bactérienne comportant en C-terminal de sa séquence en acide aminé un domaine thioredoxine additionnel, présente une forme étendue et est sous forme monomérique tandis que la protéine du poisson zèbre est un dimère compact. Des caractérisations biochimiques ont montré que le Ca2+ influence l’oligomérisation ou la conformation de SelenoN du poisson zèbre. Des cristaux initiaux de la protéine eucaryote sous sa forme déglycosylée ont pu être obtenus. La cristallisation de la protéine bactérienne a permis d’obtenir des cristaux appartenant à deux groupes d’espaces, avec des paramètres de cellule différents. Néanmoins, un modèle partiel à 2.3 Å couvrant le domaine C-terminal thioredoxine additionnel de SelenoN bactérienne a été obtenu. L’ensemble de ces résultats permettent de poser les bases de l’étude structure-fonction de SelenoN. L’expression, la purification et la cristallisation ont été optimisées et une stratégie pour résoudre la structure 3D de la protéine est proposée. / Selenoproteins are proteins containing a selenocysteine residue (U) in their amino acid sequence. Twenty-five proteins constitute the human selenoproteome. Among them is Selenoprotein N or SelenoN; mutations in the SELENON gene can lead to a group of congenital dystrophies now designated as SELENON-related myopathies. SelenoN is a 72 kDa membrane and glycosylated protein of the endoplasmic reticulum. It handles in its amino acid sequence a redox motif SCUG like the one of thioredoxin reductases, and an EF-hand domain which is a calcium binding site. Recent studies showed the implication of SelenoN in muscle development and maintenance, and position its function at the crossroad between oxidative stress control and calcium homeostasis. However, its catalytic function remains elusive. The research project presented in this thesis concerns the crystallization, characterization and comparison of one bacterial and the zebrafish SelenoNs. Bioinformatics analyses revealed that the two proteins share 37% degree of identity and a common domain which corresponds to a thioredoxin fold of unknown function which includes the redox motif SCUG. From the biophysical characterization, both recombinant proteins are found to be naturally well-folded and enriched in α-helical domains. The bacterial SelenoN which handles an additional C-terminal thioredoxin domain is an extended monomer whereas zebrafish SelenoN is a compact dimer. Biochemical characterization indicated that Ca2+ binding mediates zSelenoN oligomerization. Initial crystals of the zSelenoN in its deglycosylated form were obtained. Bacterial SelenoN crystallization yielded crystals belonging to two different space groups with different cell parameters. An initial partial model covering the C-terminal thioredoxin domain of the bacterial SelenoN was obtained at 2.3Å. Together, these results lay a foundation for the structure-function studies of SelenoN. Conditions for recombinant bacterial and zebrafish SelenoNs expression, purification and crystallization were optimized and strategies for solving the structure are being proposed.

L'importance des techniques de diffraction aux rayons-X pour la détermination de structures macromoléculaires en rapport à la fonction biologique peut être facilement comprise lorsque l'on regarde le nombre de dépôts dans la « Protein Data Bank » (http://www.rcsb.org/pdb). Bien que plus de 100.000 structures aux rayons-X soit actuellement dans la base de données, l'étude des macromolécules biologiques avec des techniques de diffraction aux neutrons a été bien plus limitée. Toutefois, les études qui ont été effectuées, illustrent clairement que la cristallographie moléculaire des neutrons peut fournir d'importante informations complémentaires à celles acquises lors d'études aux rayons-X. En effet, des développements majeurs ont eu lieu récemment à la fois sur la préparation des échantillons (notamment les techniques de deutération) ainsi que sur l'instrumentation.Ce travail décrit l'application de techniques qui mettent en œuvre deux procédés de diffraction des neutrons et des rayons-X. En particulier, l'utilisation de la cristallographie des neutrons et l'analyse spectroscopique in crystallo appliqué sur des cibles biologiques sélectionnées est développé pour un certain nombre de systèmes clés. L'optimisation de protocoles et le développement de nouveaux outils ont été exploré, afin d'effectuer conjointement de la cristallographie macromoléculaire à haute résolution aux neutrons et aux rayons X. Dans ce contexte, un nouveau système de montage cristallographique, totalement compatible avec les techniques de diffraction aux neutrons et aux rayons X, a été développé dans le but de réaliser les expériences souhaitées.La spectroscopie UV-vis et Raman in crystallo ont été utilisées pour contrôler la formation d'un produit de réaction directement dans les cristaux. Certaines méthodologie sur la congélation ainsi que sur la croissance de grand cristaux ont été effectuée afin d'acquérir suffisamment de données pour établir un protocole qui pourrait être appliquée en routine pour des expériences de diffraction de neutrons cryogéniques. Les méthodes et la technologie développée à l'intérieur de ce projet ont conduit à la détermination d'une structure cristalline aux neutrons de la trypsine en complexe avec son substrat, le Suc-RRMA-PNA, les collectes de données ont été effectuée à température cryogénique.En outre, nous avons concentrés notre attention sur deux enzymes spécifiques impliquées dans la production de tréhalose dans le microorganisme Deinococcus radiodurans – la maltooligosyltrehalose trehalosynthase (MTSase) et la maltooligosyltrehalose trehalohydrolase (MTHase). Ces deux enzymes sont capables de dégrader l'amidon soluble et les polysaccharides linéaires en trehalose, qui est un disaccharide connu pour ses propriétés protectrices des protéines et des membranes cellulaires. Dr-MTSase catalyse une transglycosylation intramoléculaire afin de transformer le maltopentaose en maltotriosyltréhalose, tandis que la Dr-MTHase reconnaît et clive spécifiquement les substrats maltotriosyltréhalose afin de libérer le tréhalose. La nouvelle structure de la Dr-MTSase a été déterminée dans sa forme apo et en complexe avec différents substrats de sucre; en outre, la caractérisation enzymatique et une description de son mécanisme de réaction sont rapportés. Enfin, la croissance de gros cristaux perdeutéré et l'analyse spectroscopique de la liaison du Dr-MTHase en complexe avec son substrat, le maltopentaose, ont été réalisés en vue d'une prochaine expérience de diffraction des neutrons. / The importance of X-ray diffraction techniques for the determination of macromolecular structure in relation to biological function can be easily grasped when looking at the number of depositions in the Protein Data Bank (http://www.rcsb.org/pdb). Although over 100,000 X-ray structures now exist in the database, the study of biological macromolecules with neutron diffraction techniques has been more limited. However those studies that have been performed clearly illustrate that neutron macromolecular crystallography can provide powerful complementary information to that gained from X-ray studies, and major developments have occurred in the recent past both for sample preparation (notably deuteration techniques) and for instrumentation.This work describes the application of techniques that strongly implement both neutron and X-ray diffraction techniques. In particular, the use of neutron crystallography and in crystallo spectroscopic analysis applied on selected biological targets was developed for a number of key systems. The optimization of protocols and the development of new tools to perform high-resolution joint neutron and X-rays macromolecular crystallography, has been explored. In this context a novel crystallographic mounting system, totally compatible with joint neutron and X-ray diffraction techniques, was developed in order to perform the desired experiments.UV-vis and Raman in crystallo spectroscopy has been applied to monitor reaction product formation directly in crystals. Some methodology on large crystal growth and freezing has been performed in order to acquire sufficient data to establish a protocol that could be routinely applied for neutron cryogenic diffraction experiments. The methods and the technology developed inside this project led to the determination of a novel neutron crystal structure of trypsin in complex with the substrate suc-AAPR-pNa, with data collection performed at cryogenic temperature.Further, we focussed our attention on two specific proteins involved in the production of trehalose in the microorganism Deinococcus radiodurans - the maltooligosyltrehalose trehalosynthase (MTSase) and the maltooligosyltrehalose trehalohydrolase (MTHase) enzymes. These two enzymes are able to breakdown soluble starch and linear polysaccharides into trehalose, which is a disaccharide known for its protective properties of proteins and cell membranes. Dr-MTSase catalyzes an intramolecular transglycosylation in order to transform maltopentaose into maltotriosyltrehalose, while Dr-MTHase recognises and cleaves specifically maltotriosyltrehalose substrates in order to release trehalose. The novel structure of Dr-MTSase has been determined in its apo form and in complex with different sugar substrates; furthermore the enzymatic characterization and description of its reaction mechanism are reported. Finally the growth of large perdeuterated crystals and the spectroscopic analysis of substrate binding of Dr-MTHase in complex with maltopentaose, have been performed in preparation of a forthcoming neutron diffraction experiment.

Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) ont été développés dès le début des années 1980 en s'appuyant sur la technologie de l'industrie microélectronique. Ils ont d'abord été utilisés dans les accéléromètres et les airbags des automobiles. Depuis lors ils se diversifient et connaissent un important essor, notamment grâce à la rapidité De la réponse des matériaux piézoélectriques. La technologie des couches minces piézoélectriques a permis la miniaturisation et les déformations sous tensions d'actionnement plus faibles. Parmi les matériaux piézoélectriques, les films minces de PbZrTiO3 (PZT) morphotropique sont fréquemment utilisés pour leurs propriétés électromécaniques remarquables. Le PZT fabriqué par la voie sol-gel au CEA Leti est à l'état de l'art mondial. Dans le souci de continuer à être compétitif, plusieurs stratégies de R&D sont envisagées, notamment des études approfondies de la microstructure des films PZT pour l'optimiser, afin d'atteindre les propriétés ultimes du PZT. Dans ce but, cette thèse recherche les corrélations entre la microstructure et l'effet piézoélectrique du PZT. Le PZT morphotropique massif, apparu dans les années 1950, est un matériau bien étudié du point de vue microstructurale et piézoélectrique. Il existe plusieurs théories expliquant ses performances piézoélectriques au niveau microscopique. Pour citer les plus connues, le basculement de domaine des phases tétragonale et rhomboédrique, le réarrangement des nano-domaines rhomboédriques, la rotation de l'axe de polarisation dans la phase monoclinique et la transition de phase. Les films minces de PZT morphotropique sont apparus dans les années 1990. Leur microstructure diffère radicalement du PZT massif. Le PZT sol-gel étudié dans ce manuscrit, est contraint et possède une orientation préférentielle des cristaux, des domaines nanométriques et un gradient chimique de Zr et Ti dans l'épaisseur. Notre but est d'étudier les liens entre la microstructure complexe de ces films et leurs propriétés piézoélectriques en utilisant la caractérisation par diffraction des rayons X (DRX). Grace à l'accès au nano-faisceau à l'ESRF, nous avons pu étudier l'influence du gradient chimique de Zr/Ti sur la microstructure de PZT. Les résultats ont montré que la variation de concentration de Zr et Ti engendre une variation du rapport des phases tétragonale et rhomboédrique dans l'épaisseur de la couche. Cette variation suit les oscillations de Zr/Ti dans les films observées par SIMS. Cette observation montre la sensibilité de la microstructure sur la composition chimique. De même, il en résulte la possibilité d'améliorer l'homogénéité de composition du PZT et de ses performances. Car plus le PZT est homogène en composition, meilleurs sont ses coefficients piézoélectriques (d33, e31). Par la suite nous avons effectués des expériences in-situ sous champ électrique sur des capacités contenant le PZT avec le gradient de composition atténué. La microstructure de PZT a été affinée en utilisant la phase tétragonale et rhomboédrique. A 0V, on estime que le PZT contient 40% de phase rhomboédrique et 60% de phase tétragonale. A 30V, on n'observe plus que la présence de la phase rhomboédrique. Les résultats montrent une diminution de la proportion de phase tétragonale au profit de la phase rhomboédrique sous champ électrique. Pour finir nous avons étudié l'influence du gradient de concentration sur l'amplitude du changement de phase en analysant deux échantillons de gradient Zr/Ti différents par DRX in-situ. Nous avons pu montrer que plus l'échantillon est homogène chimiquement, plus il est sujet à la transition de phase sous champ électrique et plus il est performant piézoélectriquement. Finalement, afin d'améliorer les performances piézoélectriques des films PZT, nous proposons de fabriquer des films plus homogènes et plus riches en Ti pour amplifier la transition de phase dans les films. / MEMS have been developed since 1980, when they appeared as derivatives from the microelectronic industry. They were first used in accelerometers and car airbags. They have diversified since then and expanded. One of the main contributors to this expansion are piezoelectric materials. Among them, PbZrTiO3 (PZT) is widely used for its outstanding piezoelectric performances. Sol-gel PZT thin films fabricated at CEA are worldwide state of the art. In order to stay competitive, several R&D strategies have been developed. One of them is a detailed study of PZT microstructure in order to draw correlations with the piezoelectric effect in PZT films. The goal of this study is to optimize PZT microstructure aiming to reach its best piezoelectric properties. For this purpose, this thesis takes advantage of numerous studies performed on PZT bulk ceramics in order to analyze PZT thin films microstructure and its modifications with voltage. PZT bulk ceramics of morphotropic composition are now well known from the piezoelectric and microstructural point of view. There are several theories explaining the piezoelectric effect at the microscopic level, namely tetragonal and rhombohedral domain switching, rhombohedral nanodomains rearrangement, polarization axis rotation in the monoclinic phase and the phase transition.Morphotropic PZT thin films have emerged more recently. Their microstructure is very different from the bulk PZT. Indeed, sol-gel PZT films studied in this manuscript are stressed and contain preferred oriented nanoscale crystals and Ti/Zr composition gradient through the film thickness. Our goal is to study links between the complex microstructure of these films and their piezoelectric properties using X-ray diffraction (XRD).Thanks to the nano-beam at ESRF, we were able to study the influence of the Zr/Ti chemical gradient on the PZT microstructure. Our observations showed that the composition gradient gives rise to a variation of the tetragonal and rhombohedral phase ratio in the layer thickness. This variation follows Zr/Ti composition oscillations evidenced by SIMS. This experiment shows the sensitivity of PZT microstructure to the PZT chemical composition. At the same time, it suggests the possibility of improving the composition homogeneity of PZT and its performances. The more the PZT composition is homogeneous, the better the piezoelectric coefficients are.Then, we performed in-situ XRD under electric field experiments on a capacitor containing the PZT active layer with an attenuated Zr/Ti gradient. The PZT diffraction pattern was refined using the tetragonal and the rhombohedral PZT phases. At 0V PZT contains 40% of rhombohedral phase and 60% of tetragonal phase. At 30V, no tetragonal phase is observed any more. Results show an electric field induced phase transition from the tetragonal to the rhombohedral phase.Finally, we used in-situ XRD to study the influence of Zr/Ti composition gradient on the amplitude of the phase transition of two PZT samples with different Zr/Ti gradient. We showed that the more the sample is homogeneous in composition, the more phase transition it exhibits and the more it is performant.Finally, to improve the piezoelectric performances of PZT films, we propose to improve PZT compositional homogeneity and slightly increase the Ti content to promote the tetragonal phase in order to amplify the phase transition under voltage.

La transcription des gènes humains par la polymérase II (Pol II) commence avec l'assemblage du complexe de pré-initiation (PIC) au niveau du promoteur. L'assemblage du PIC est initié par le facteur de transcription général TFIID, un complexe de protéines faisant 1 mégadalton et contenant TBP et 13 facteurs TBP-associés (TAF). Des études structurales sur TFIID par cryo-EM ont révélé l'architecture globale de TFIID, donnant un aperçu de l'assemblage des sous-unités et la reconnaissance du promoteur à faible et moyenne résolution. Cependant, les structures à haute résolution de plusieurs TAF ne sont pas disponibles à ce jour, ce qui limite notre compréhension actuelle des interactions TAF-TAF et du mécanisme d'assemblage de TFIID.J'ai utilisé une stratégie de co-expression dans des cellules d'insectes sur la base de notre système MultiBac afin d'obtenir des sous-complexes recombinants TFIID de qualité sans précédent et de quantité suffisante pour des études structurales. J'ai cristallisé un complexe contenant les TAFs TAF5, TAF6 et TAF9 et déterminé sa structure à une résolution de 2.7 Å. Notre structure donne des aperçus détaillés sur les interactions de ces sous-unités essentiels de TFIID: La structure révèle des interactions serrés inattendues entre le domaine N-terminal et le domaine à répétition WD40 contenant 7 lames de TAF5 avec le domaines "histone fold" (HFDs) de TAF6/9. Les interactions entre ces domaines conservés inter-espèces expliquent en détail comment TAF5 sert de plate-forme de liaison pour les HFDs dans TFIID. Cette étude étend notre compréhension de l'échafaudage moléculaire au noyau central de la version humaine de TFIID, ce qui est essentiel pour la formation de holo-TFIID.De plus, j'ai pu isoler un domaine structural conservé de la version humaine de TAF6, le domaine à répétition HEAT de TAF6 en utilisant une approche de protéolyse limitée sur des core-complexes TAF5/6/9 prédéfinis. J'ai pu déterminer la structure du domaine à répétition HEAT de TAF6 jusqu'à 2,0 Å de résolution. La structure offre un éclairage supplémentaire sur l'architecture de la version humaine de TFIID et révèle la présence d'une grande zone chargée positivement sur sa surface, probablement impliqué dans la liaison à l'ADN du noyau promoteur liaison.Basé sur les structures résolues et les informations obtenues dans des expériences de protéolyse limitée, j'ai pu identifier les complexes minimaux de la base du complexe TFIID humain (TAF 4/5/6/9/12). J'ai identifié les HFDs de l'hétérodimère TAF4/12 comme étant essentielle à la formation d'un complexe avec TAF5/6/9. Ces résultats guideront la conception future de construction pour la cristallisation du complexe humain TFIID de base, améliorant ainsi nos connaissances sur le mécanisme d'assemblage de TFIID ainsi que sur l'architecture de ses principaux composants à une résolution atomique. / Human gene transcription by Polymerase II (PolII) begins with the assembly of the pre-initiation complex (PIC) at the promoter. PIC assembly is initiated by the general transcription factor TFIID, a megadalton sized protein complex containing TBP and 13 TBP associated Factors (TAFs).
Structural studies on TFIID by cryo-EM have revealed the overall architecture of TFIID, providing insights into subunit assembly and promoter recognition at low to medium resolution. However, high-resolution structures of several TAFs are not available to date, limiting our current understanding of TAF-TAF interactions and the assembly mechanism of TFIID.I used a co-expression strategy in insect cells based on our MultiBac system to obtain recombinant TFIID sub-complexes of unprecedented quality and quantity for structural studies. I crystallized a complex containing the TAFs TAF5, TAF6 and TAF9 and determined its structure up to a resolution of 2.7 Å. Our structure gives detailed insights into the interactions of these essential TFIID subunits: The structure reveals unexpected tight interactions between the N-terminal domain and the 7-bladed WD40 repeat domain of TAF5 with the TAF6/9 histone fold domains (HFDs). The interactions between these inter-species conserved domains explain in detail how TAF5 serves as a binding platform for HFDs in TFIID. This study extends our understanding of the molecular scaffold at the central core of human TFIID, which is essential for holo-TFIID formation.Additionally, I could isolate a conserved structural domain of human TAF6, the TAF6 HEAT repeat domain by using a limited proteolysis approach on predefined TAF5/6/9 core-complexes. I could determine the structure of the TAF6 HEAT repeat domain up to 2.0 Å resolution. The structure provides additional insights into the architecture of human TFIID and reveals the presence of a large positively charged patch on its surface, probably involved in core-promoter DNA binding.Based on the obtained structures and information gained in limited proteolysis experiments, I was able to identify minimal complexes of human core-TFIID (TAFs 4/5/6/9/12). I identified the HFDs of the TAF4/12 heterodimer to be essential for the complex formation with TAF5/6/9. These findings will guide future construct design for crystallization of human core-TFIID, enhancing our knowledge about the TFIID assembly mechanism and the architecture of its core-components at atomic resolution.

Le Lanréotide est un octapeptide amphiphile cationique et un analogue thérapeutique de la somatostatine. Cette molécule synthétique a été conçue au sein de Beaufour-Ipsen comme thérapie contre l’acromégalie. Ce peptide révèle la propriété de former des nanotubes avec un haut degré de monodispersité en diamètre des tubes (244 Å) et épaisseur de la paroi (~18 Å) lorsqu’il est mélangé avec de l’eau pure à 10% (w/w). Le peptide forme des tubes emboîtés à plus haute concentration. Cette propriété d’auto-assemblage est utilisée pour concevoir un implant sous cutané à libération prolongée d’un mois : la Somatuline Autogel. Les gels de Lanréotide deviennent de plus en plus visqueux avec la concentration en peptide et cette viscosité limite la dose maximale injectable. L’ajout d’un adjuvant dans la formulation : le polyéthylène glycol (PEG600) à permit d’augmenter le temps de libération du peptide dans l’organisme tout en diminuant la viscosité du gel. Dans le but d’étudier l’effet du PEG600 sur l’auto-assemblage du Lanréotide, une étude structurale et thermodynamique est proposée. Cette étude est réalisée grâce à une approche par diagramme de phase systématique, par la technique de diffusion des rayons X et de modèles d’analyses des clichés, croisé par différentes techniques de caractérisations moléculaires. Cette étude révèle des interactions fortes du PEG avec le Lanréotide conduisant à la formation d’un complexe en solution. Ce complexe influe sur les équilibres entre deux phases du système biphasique, tube et intermédiaire du Lanréotide (rubans et dimères), ce qui pourrait jouer un rôle important dans les propriétés rhéologiques des gels. Enfin, il est montré qu’il est possible de réaliser la transition pratiquement totale du Lanréotide vers un dimère chimique conduisant à la formation de fibre type amyloïde. La simplicité du procédé de fabrication à température ambiante de ce dimère non actif dans l’organisme par un simple changement d’ordre d’addition des composants, fait de la compréhension des paramètres physico-chimiques de formations de ce dimère, un point capital du point de vue industriel. / The Lanreotide is an cationic octapeptide and a therapeutic analogue of the somatostatin. This synthetic molecule was designed by Beaufour Ipsen as a therapy against acromegaly. This peptide has the capacity to form monodisperse nanotubes with a high degree of monodispersity in diameter (244 Å) and wall thickness (~18 Å) when the peptide is mixed with pure water at 10% (w/w); embedded tubes are found at higher concentration. The viscosity of Lanreotide gels is strongly increasing with the peptide concentration, a property that limits the maximum injectable dose. The addition of a polymer (polyethylene glycol, PEG600) as an adjuvant in the formulation allows one to increase the release time in the organism to be treated and to decrease the gel viscosity. To study the effect of PEG600 on the self-assembly of the Lanreotide, a structural and thermodynamic work is proposed. This study is performed with a systematic phase diagram approach, by X-ray scattering and modeling of the scattering pattern and different experimental techniques at the molecular scale. This study reveals strong interaction between PEG and Lanreotide that form a complex in solution. This complex impacts the equilibrium state between two phases of the biphasic system, i.e., pure tubes and an intermediate state consisting of a mixture between ribbons and dimers of the Lanreotide. This result could play an important role for the gel’s rheological properties. Then, we demonstrate that it is possible to obtain an almost complete transition to a covalent dimer which yields the formation of amyloid fibers. To sum up, we discuss a new process for the fabrication of a dimer that is not active in the organism, this process being (i) based on a simple change of the order at which the components are added in solution and (ii) easy to implement at room temperature. Our findings could impact industrial applications.

La compréhension des mécanismes qui contrôlent le transfert des éléments en traces métalliques (ETM) dans les hydro-systèmes est fondamentale car ceux-ci constituent des contaminants toxiques potentiels pour l'environnement et l'Homme. Dans ces travaux, la contribution des biofilms phototrophes, principaux acteurs du fonctionnement écologique et biogéochimique des eaux courantes continentales, a été évaluée dans le transfert et le fractionnement isotopique des ETM choisis, le cuivre (Cu) et le zinc (Zn). L'objectif est de mieux appréhender, via le couplage géochimique, microbiologique et écologique, les effets de l'exposition de biofilms aux ETM, conduite en conditions contrôlées, tant sur le comportement des ETM que la réponse de la communauté microbienne. Les expérimentations de 96 h d'exposition d'un biofilm mature aux ETM en milieux fermés et ouverts montrent un fractionnement isotopique opposé entre les processus physico-chimiques et biologiques sollicités. L'adsorption induit un enrichissement du biofilm en isotopes lourds par rapport à la solution avec un facteur d'enrichissement de +1,1±0,3 ‰ pour le Cu et de +1,2±0,4 ‰ pour le Zn. Inversement, le fractionnement isotopique induit lors de l'incorporation du Cu et du Zn dans le biofilm varie avec un facteur d'enrichissement allant de -0,6 à +0,8 ‰ pour le Cu et de +0,1 à +0,5 ‰ pour le Zn. Les analyses in-situ XAS (au seuil K du Cu) montrent que l'enrichissement en isotopes légers lors de l'incorporation du Cu est contrôlé par une réduction du Cu(II) en Cu(I). La variabilité du fractionnement isotopique lors de l'incorporation est expliquée par les différents processus intervenant au sein de la matrice du biofilm (diffusion, adsorption sur les groupes fonctionnels de la matrice d'exopolymères et à la surface des cellules, incorporation intracellulaire). Lors de l'excrétion de ces ETM, le biofilm induit aussi un fractionnement opposé et différent en fonction de la nature de l'ETM. La fraction métallique désorbée par le biofilm lors des premières heures est enrichie en isotopes légers de Zn et en isotopes lourds de Cu par rapport au biofilm avec un enrichissement variant respectivement entre -1,4 et 0 ‰ et entre +0,8 et +0,5 ‰. Les mécanismes d'efflux et de diffusion diminuent la magnitude de l'enrichissement et enduisent un enrichissement de la fraction excrétée par rapport au biofilm compris entre -0,7 et -0,3 ‰ pour le Zn et entre -0,36 et +0,35 ‰ pour le Cu. Ces résultats sont également obtenus dans le cadre d'une étude dynamique du fractionnement isotopique sur deux cycles circadiens consécutifs en système ouvert. Les études du fractionnement isotopique en fonction de la croissance du biofilm en relation avec l'évolution des communautés durant 59 jours de culture montrent une dépendance du fractionnement isotopique à la diversité des communautés et à son évolution temporelle. Le biofilm induit un enrichissement en isotopes lourds de +0,5±0,1 ‰ au 24ième jour qui diminue avec la diminution du rapport de la surface du biofilm sur son volume pour atteindre +0,0±0,3 ‰ au 59ième jour. Pour le Zn, en fonction de la diversité algale, la croissance du biofilm induit soit un fractionnement négatif d'une valeur moyenne de -0,16±0,04 ‰, soit n'induit pas de fractionnement entre le 24ième et 59ième jour (-0,1 <-66Zn(biofilm-solution) <+0,1 ‰). Cette étude reflète la complexité des processus biologiques associés aux biofilms phototrophes. Ainsi, l'utilisation des isotopes pour tracer les processus contrôlés biologiquement lors du transport du Cu et du Zn dans les cours d'eau demande i) la connaissance du temps de résidence du métal dans le biofilm, ii) le degré d'assimilation du métal dans la biomasse par rapport à son adsorption en surface, et iii) les différentes réactions élémentaires intervenant dans le biofilm. / Understanding mechanisms that control the metal trace elements (MTE) transfer in aquatic systems is fundamental because MTE are potential toxic contaminants to the environment and human populations. In this work, the contribution of benthic microbial aggregates (phototrophic biofilms), main actors of the ecological functioning and biogeochemistry of freshwater, was evaluated by the transfer and isotopic fractionation of selected two toxic and potentially essential metals, Cu and Zn. The aim is to better understand, via the coupling between different approaches (geochemical, isotopic, structural, microbiological, ecotoxicological), the relation between MTE concentration and isotope signature in solution and within the biofilm, depending on environmental conditions and the microbial community response. Sorption by a mature phototrophic biofilm of MTE during 96 h exposure in batch and open systems reactors exhibits opposite isotopic fractionation between physico-chemical and biological processes. The adsorption induces an enrichment in heavy isotopes of the biofilm relative to the solution during metal complexation with the surface functional groups with an enrichment factor of +1.1±0.3‰ for Cu and +1.2±0.4‰ for Zn. Conversely, the isotopic fractionation during Cu and Zn incorporation inside the biofilm is variable with an enrichment factor between the biofilm and the solution ranging from -0.6 to +0.8 ‰ for Cu and +0.1 to +0.5‰ for Zn. In situ X-ray Absorption Spectroscopy analysis of Cu chemical and structural status in the biofilm show that the enrichment in light isotopes during Cu incorporation is controlled by the reduction of Cu(II) in Cu(I). The variability of isotopic fractionation during incorporation are explained by different processes involved in the biofilm matrix (diffusion, adsorption by the functional groups of the exopolymeric matrix and at the surface of the cells, intracellular incorporation). During ETM excretion from the biofilm into the solution, contrasting fractionation of Cu and Zn is observed. The metal fraction desorbed by the biofilm at the beginning of excretion is enriched in lighter isotopes of Zn and in heavy isotope of Cu compared to the biofilm with an enrichment ranging from 0 to -1.4‰ and from +0.8 to +0.5‰ for Zn and Cu, respectively. Active efflux and diffusion processes decrease the isotopic enrichment magnitude inducing an enrichment of the excreted fraction compared to the biofilm ranging from -0.7 and -0.3‰ for Zn and from -0.36 and +0.35‰ for Cu. The isotopic results found for a dynamic study of Cu and Zn isotopic fractionation on two consecutive circadian cycles in open system are in general agreement with our 96 h sorption and excretion experiments. The isotopic fractionation experiments during the biofilm growth in relation to the evolution of communities (ecological succession) over 59 days exhibit a relationship between metallic isotopic fractionation and the community diversity and its temporal evolution. However, a general trend is observed for Cu with an enrichment in heavy isotopes of +0.5±0.1‰ after 24th day of growth that decreases with the decrease of the biofilm's surface/volume ratio to reach a value of +0.0±0.3 ‰ at the 59th day of growth. For Zn, in relation to algal diversity, the growth of the biofilm produces whether a negative isotopic fractionation equal to -0.16±0.04‰, or does not produce any isotopic fractionation between the 24th and 59th days of growth (-0.1<-66Zn(biofilm-solution)<+0.1 ‰).This study reflects the complexity of biological processes associated with phototrophic biofilms. The use of stable isotopes to trace the processes controlled biologically during transport of Cu and Zn in surface waters requests i) knowledge of metal residence time in the biofilm, ii) the degree of assimilation of the metal in biomass compared to its surface adsorption, and iii) the various elementary reactions involved in the biofilm.

Les sprites sont de gigantesques phénomènes lumineux qui sont produits entre 40 et 90 km d’altitude généralement par des éclairs nuage-sol positifs. Les sprites sont des phénomènes très brefs (durée de quelques millisecondes) qui appartiennent à la famille des TLEs (évènements lumineux transitoires) et qui sont composés de structures filamentaires nommées streamers. Les streamers sont des filaments de plasma, qui se propagent à des vitesses allant jusqu’à ∼10⁷ m/s et qui possèdent des champs électriques très forts souvent proches de 150 kV/cm (champs réduit à la pression atmosphérique). Lors de ce travail, on a développé un modèle fluide de plasma qui simule les décharges streamers couplées avec un modèle simulant les émissions optiques afin d’étudier la physique des streamers, des TLEs et plus particulièrement des sprites dans le cadre de la mission spatiale TARANIS. Cette mission a pour objectif d’étudier le système Atmosphère-Ionosphère-Magnétosphère, et observera les TLEs et leurs émissions associées: électromagnétiques, optiques, et probablement radiations énergétiques depuis le nadir. Dans cette thèse, on propose d’étudier certains problèmes liés aux streamers et aux sprites qui sont cruciaux pour préparer la mission TARANIS. Plus particulièrement nous abordons certains mécanismes de production de radiations énergétiques par les streamers récemment proposés dans la littérature et nous développons une méthode qui permet de déterminer l’altitude, la vitesse et le champ électrique des streamers des sprites, à partir d’une analyse spectroscopique de leurs émissions optiques. Nos résultats renforceront donc le retour scientifique des futures missions spatiales observant les TLE depuis le nadir et particulièrement TARANIS. / Sprites are large optical phenomena usually produced between 40 and 90 km altitude generally by positive cloud-to-ground lightning (+CG). These are short lifetime phenomena (duration of few milliseconds) that belong to the family of transient luminous events (TLEs) and composed of complex filamentary structures called streamers. Streamers are non-thermal plasma filament, highly collisional, propagating with velocities up to 10⁷ m/s, and characterized with high electric fields at their heads often close to 150 kV/cm when scaled to ground level air. In this work, we have developed a streamer plasma fluid model coupled with an optical emission model to investigate the physics of streamers and sprites in the framework of the TARANIS space mission. TARANIS will observe TLEs from a nadir-viewing geometry along with their related emissions (electromagnetic and particles). In this dissertation, we investigate some mechanisms of emission of energetic radiation from streamers recently proposed in the literature and we present an original spectroscopic method to determine sprite streamers altitudes, velocities, and electric fields through their optical emissions. This method is especially useful for increasing the scientific return of space missions that have adopted nadir-based observation strategies.

Les mémoires à changement de phase sont l'un des candidats les plus prometteurs pour la prochaine génération de mémoires non-volatiles. Un intense effort de recherche est requis pour optimiser les matériaux à changement de phase (PC) utilisés dans ces mémoires. En particulier, il a été démontré que le dopage améliore les propriétés de rétention des dispositifs. Par ailleurs, l'étude des effets de réduction de taille et des effets des matériaux d'interface sur les propriétés des matériaux à changement de phase est encore un sujet de recherche ouvert. Dans ce contexte, la première partie de la thèse est dédiée à l'investigation de la structure locale de GeTe amorphe dopé avec C ou N. L'effet du dopage sur la structure a été observé expérimentalement via l'apparition d'un nouveau pic dans la fonction de distribution de paires de GeTe dopé, ce qui montre la formation d'une nouvelle liaison interatomique absente dans le matériau non dopé. La présence de nouvelles configurations incluant le carbone et l'azote a été confirmée par des simulations ab initio. L'objet de la deuxième partie de la thèse est l'influence de la réduction de taille sur la cristallisation de Ge2Sb2Te5 (GST). Des agrégats nanométriques de GST ont été fabriqués par pulvérisation puis déposés et étudiés par diffraction des rayons X en utilisant le rayonnement synchrotron. Dans l'état cristallisé une très forte déformation positive des agrégats est observée et attribuée à la matrice d'Al2O3 qui entoure les agrégats. La température de cristallisation des agrégats est de 25°C plus élevée que celle d'un film de GST de 10 nm déposé dans les mêmes conditions. Ce résultat est encourageant pour les futurs développements des mémoires à changement de phase car il montre que l'effet de réduction de taille sur la température de cristallisation peut-être faible. La troisième et dernière partie de la thèse est dédiée à l'investigation des effets des matériaux d'interface sur la température de cristallisation de films minces de GeTe et GST par des mesures de réflectivité et de diffraction des rayons X. Pour les deux matériaux, la température de cristallisation de films de 100 nm est plus grande pour une interface avec du Ta que pour une interface avec du TiN ou du SiO2. Une différence aussi marquée n'était jamais montré auparavant. Les résultats suggèrent que l'interface SiO2/GeTe est énergétiquement favorable pour la nucléation et la croissance de grains avec une orientation préférentielle et que les mécanismes de nucléation et croissance sont différents pour différents matériaux d'interface. / Phase Change Memories (PCM) are one of the best candidates for the next generation of non volatile memories. A great research effort is still needed in order to optimize the properties of phase change (PC) materials which are used in PCM devices. In particular, doping has been demonstrated to improve retention in devices. Moreover, a study of the effect of scaling and interface material on PC materials properties is still an open research field. In this context, the first part of the thesis is dedicated to investigate the local structure of C or N doped amorphous GeTe. The impact of doping is observed experimentally with the appearance of a new peak in the pair distribution function of doped GeTe, indicating the formation of a bond at a new distance that is absent in the undoped amorphous material. The presence of new environments involving carbon and nitrogen is confirmed through ab initio simulations. The subject of the second part of this thesis is the impact of confinement on Ge2Sb2Te5 (GST) crystallization mechanism. Nano-sized clusters of GST have been made by sputtering, deposited and then studied through X-ray diffraction using synchrotron radiation. The crystalline clusters experience a tensile strain that can be ascribed to the effect of the embedding Al2O3 matrix. Their crystallization temperature has been found to be only 25°C higher than the one observed for a thin film of GST of 10 nm deposited under the same conditions. This result is positive for the future development PCM because it indicates that the scaling effect on the crystallization temperature in phase change material can be small. The third and last part of the thesis is dedicated to the investigation of the interface material effect on the crystallization temperature of GeTe and GST thin films through reflectivity and X-ray diffraction measurements. In both GeTe and GST film 100 nm thick interfaced with Ta the crystallization temperature is higher than in the case of TiN or SiO2 interface. Such an interface effect on relatively thick films was never reported before. The results suggest that the SiO2/GeTe interface is energetically favourable for the nucleation and growth of grains with a preferred orientation and that nucleation and growth mechanisms are different for different interface materials.

La frustration est un concept physique qui apparaît lorsque toutes les interactions d'un système ne peuvent être satisfaites en même temps. La glace de spins artificielle est un exemple de système magnétique frustré par la compétition entre interactions dipolaires. Jusqu'ici, les propriétés de ce métamatériau ont été étudiées à l'aide de techniques microscopiques. Ces dernières ne permettent qu'un accès limité à la dynamique du système. Cette dernière pourrait être étudiée par les techniques de diffusion qui ont une meilleure résolution temporelle.La diffusion magnétique résonante des rayons-x mous (SXRMS) est une technique qui a une résolution spatiale comparable avec les tailles standards de la glace de spins artificielle. Le but de cette thèse est de démontrer que cette technique peut apporter des informations intéressantes sur l'organisation magnétique. Elle est organisée en deux parties principales. Tout d'abord, la fabrication d'échantillon est décrite étape par étape. Ensuite, les études de la glace de spins carrée et kagome sont présentées. Des signaux d'origine magnétique ont été enregistré qui apportent une vision de l'organisation magnétique. L'interprétation de ces signaux est complexe à cause de l'espace réciproque. Le dernier chapitre présente une série de mesures utilisant des techniques non-microscopiques sur des systèmes avec des fluctuations magnétiques.Les différentes études présentées montrent que non seulement la glace de spin artificielle peut être étudiée par la diffusion et les autres techniques apportent des informations sur le système. Cette thèse ouvre la voie à des techniques plus avancées comme, dans le domaine des rayons X, l'illumination de l'échantillon avec un faisceau cohérent. Le travail présenté est par conséquent une première étape vers l'étude de la dynamique dans la glace de spins artificielle. / Frustration is a concept in physics which appears when all interactions in a system cannot be satisfied at the same time. Artificial spin ice is an example of a magnetic system that is frustrated by the competition between the dipolar interactions. So far, the properties of this metamaterial has been studied by means of microscopic techniques with the disadvantage of a limited dynamical range. At a time when dimensions of the nanomagnets allow the access to fast dynamics using magnetic fluctuations, the time-resolution of scattering techniques could make them relevant for such studies.Soft x-ray resonant magnetic scattering (SXRMS) is a magnetic-sensitive technique with a resolution compatible with the dimensions of artificial spin ice. The scope of this thesis is to demonstrate that SXRMS can bring relevant information about the magnetic organisation in artificial spin ice. It is organized in two parts. The fabrication of scattering-compatible artificial spin ice samples is described step by step. Then, the studies of both artificial square and kagome spin ice are presented. Signals of magnetic origin have been recorded, bringing insights in the magnetic organization of the system. While most of the studies have been performed on static systems, a small chapter is presenting a serie of studies using non-microscopic techniques which include systems with fluctuating magnetic moments.The different studies performed within this thesis demonstrate that artificial spin ice can not only be studied by microscopy techniques, but that scattering and non-microscopic methods are also relevant. In particular, it opens the way to more advanced experiments such as, in the x-ray domain, the illumination of the system with a coherent beam in order to resolve the nature of the very short magnetic correlations using x-ray photon correlation spectroscopy technique. The presented work is therefore a first step toward the study of dynamics in artificial spin ice.