La RMN à l’état solide est une méthode de choix pour l’étude des protéines insolubles et des complexes protéiques de haut poids moléculaire. L’insolubilité intrinsèque des protéines fibrillaires, ainsi que leur architecture complexe, rendent difficile leur caractérisation structurale par la cristallographie et par la RMN en solution. La RMN à l‘état solide n’est pas limitée par le poids moléculaire et constitue donc un outil puissant pour l’étude des protéines fibrillaires. L’attribution des résonances RMN est le prérequis pour obtenir des informations structurales à résolution atomique. La première partie de ce travail de thèse décrit le développement de méthodes en RMN à l’état solide pour l’attribution des résonances. Nous avons appliqué ces méthodes afin d’attribuer le domaine C-terminal du prion Ure2 (33 kDa), qui est à ce jour la plus grande protéine attribuée par RMN à l’état solide. Nos résultats fournissent les bases pour l’étude de protéines à haut poids moléculaire à l’échelle atomique. Ceci est démontré dans la seconde partie de ce travail de thèse avec les premières études RMN à l’état solide des fibrilles des prions Ure2 et Sup35. Nous avons caractérisé la structure de ces prions pour les fibrilles entières ainsi que pour les domaines isolés. La troisième fibrille étudiée est l’α- synuclein, fibrille associée à la maladie de Parkinson, pour laquelle nous présentons l’attribution des résonances RMN ainsi que la structure secondaire d’un nouveau polymorphe. Les études présentées ici fournissent de nouvelles clés pour comprendre la diversité des architectures de fibrilles, en considérant les fibrilles comme entités individuelles d’un point de vue structural / Solid-state NMR is the method of choice for studies on insoluble proteins and other high molecular weight protein complexes. The inherent insolubility of fibrillar proteins, as well as their complex architecture, makes the application of x-ray crystallography and solution state NMR difficult. Solid-state NMR is not limited by the molecular weight or by the absence of long-range structural order, and is thus a powerful tool for the 3D structural investigation of fibrillar proteins. The assignment of the NMR resonances is a prerequisite to obtain structural information at atomic level. The first part of this thesis describes the development of solid-state NMR methods to assign the resonances in large proteins. We apply these methods to assign the 33 kDa C-terminal domain of the Ure2p prion which is up to now the largest protein assigned by solid-state NMR. Our results provide the basis to study high molecular weight proteins at atomic level. This is demonstrated in the second part with the first high-resolution solid-state NMR study of Ure2 and Sup35 prion fibrils. We describe the conformation of the functional domains and prion domains in the full-length fibrils and in isolation. The third fibrillar protein addressed in this work is the Parkinson’s disease related α-synuclein whereof we demonstrate the NMR resonance assignment and the secondary structure determination of a new polymorph. Thus, the studies described here provide new insights in the structural diversity of fibril architectures, and plead to view fibrils as individuals from a structural point of view, rather than a homogenous protein family

L’hépatite B est une maladie du foie qui pose un problème majeur de santé publique. Il n’existe à ce jour aucun traitement permettant de guérir complètement de l’infection, et de nouvelles thérapies ont besoin d’être développées. Étant donné son rôle clé dans le cycle de vie du virus de l’hépatite B (VHB), la protéine core qui forme la capside virale est aujourd’hui l’une des cibles avec le plus grand potentiel thérapeutique. Nos recherches sont focalisées sur la caractérisation des capsides du VHB dans différents états conformationnels en utilisant des techniques de biochimie et de RMN du solide, afin de révéler leur conformation précise sous différentes conditions, incluant l’interaction des capsides avec des antiviraux, et la relation entre la conformation de la capside et la maturation du virus. Un système d’expression bactérienne ainsi qu’un système acellulaire de synthèse de protéine à base de germes de blé ont été établis au laboratoire pour produire les capsides, et des protocoles pour désassembler puis réassembler les capsides en présence de différents types d’ARN ont été implémentés. Des échantillons de capsides formées dans E. coli et réassemblées in vitro ont été analysés par RMN. Les différentes formes de capsides observées incluent les protéines tronquées Cp140 et Cp149, la protéine entière Cp183, phosphorylée P-Cp183, et enfin des mutants. Dans un premier temps, nous avons préparé des échantillons pour l’attribution séquentielle de la protéine core par RMN du solide. L’utilisation de la détection carbone en RMN requiert plusieurs dizaines de milligrammes d’échantillon, qui ont pu être produits en utilisant l’expressions bactérienne en milieu minimum contenant des isotopes marqués. Les attributions séquentielles ont été réalisées sur la protéine tronquée Cp149, qui donne des spectres très similaires à Cp183. Cet échantillon a également été utilisé pour identifier les différences conformationnelles entre les 4 monomères de la capside, qui sont provoquées par la symétrie icosaédrale T=4. Ensuite, l’objet principal de cette thèse a été l’investigation et la comparaison d’une large variété de capsides, dans leur forme autoassemblée dans les bactéries E. coli, ainsi que dans leur forme réassemblée. Pour le réassemblage de la protéine entière, qui requiert la présence d’acides nucléiques, nous avons testé différents types d’ARN y compris l’ARN viral prégénomique. Nous avons étudié différentes symétries (T=3 et T=4), ainsi que les états d’oxydation de la capside, et comparé les différences de conformation grâce aux perturbations de déplacements chimiques observées dans les spectres RMN. Nous avons pu identifier les acides aminés impliqués dans les changements conformationnels majeurs entre les différentes préparations. La RMN du solide en détection proton à 100 kHz a récemment émergé comme un outils important pour l’analyse de protéines produites en quantités moindres. Nous avons appliqué cette stratégie à l’analyse des capsides de Cp149 afin d’obtenir l’attribution des protons amides. La détection proton par RMN du solide peut être combinée avec succès à la synthèse des protéines en système acellulaire, qui donne de faibles rendements par rapport aux cultures en bactéries. Cette approche est particulièrement intéressante pour analyser la modulation de l’assemblage des capsides induite par la présence de drogues. Bien que nous ayons commencé à étudier l’impact de modulateurs d’assemblage par RMN en détection carbone sur des capsides formées dans E. coli et réassemblées (données préliminaires non montrées dans ce manuscrit), la détection proton ouvre la voie vers l’analyse de l’impact de ces modulateurs sur l’assemblage des protéines core directement à la sortie du ribosome / Hepatitis B is a widely spread liver disease which causes a heavy burden for human health, with 257 millions of people affected by chronic infection and about 780,000 deaths per year. Yet, infected patients can not be completely cured by current treatments using notably nucleos(t)ide analogues and interferons. In order to achieve the goal of the World Health Assembly (WHA), who wishes to eliminate hepatitis B by 2030, new therapies need to be developed. Given its critical role for the Hepatitis B virus (HBV) life cycle, the core protein (Cp) is today one of the antiviral targets with the highest potential. Our research focuses on the characterization of HBV capsids in different conformational states using biochemistry and solid-state NMR, aiming at revealing their precise conformation under different conditions, including the interaction of capsids with antivirals, and the correlation between capsid conformation and viral maturation. For sample preparation, both a bacterial expression system and a wheat germ cell-free protein synthesis system have been established in the laboratory to produce HBV capsids, and protocols to disassemble and reassemble capsids with different nucleic acids have been implemented. Both capsids preformed in E. coli and capsids reassembled in vitro were addressed to NMR studies. Different capsids forms include the truncated versions Cp140 and Cp149, the full length protein Cp183, the phosphorylated P-Cp183 and mutant forms. First, we have prepared samples for the sequential assignment of the protein using solid-state NMR. The use of carbon-13 detection asks for several tens of milligrams of sample, which were produced using labeled isotopes and bacterial expression in minimal media. Sequential assignments were performed using the truncated capsid Cp149, which showed highly similar spectra to Cp183. This sample was also used to identify conformational differences between the four different monomers in the capsid, which are due to the T=4 icosahedral symmetry. Then, the main body of the thesis is the investigation and comparison of a variety of different capsid forms, including Cp183, P-Cp183, Cp149, Cp140, another truncated form resulting in mainly T=3 icosahedral assemblies, and Cp140 C61A and Cp183 F97L mutants. We investigated all samples in both the E. coli-produced and reassembled forms, which needs for the full-length protein the presence of nucleic acids, of which we tested several, including the viral pregenomic RNA. We investigated different symmetries, as well as oxidation states of the capsid, and compared the differences via chemical shift perturbations observed in NMR spectra. We reported in a site-specific manner the major conformational changes observed between the different preparations. Proton-detected solid-state NMR at 100 kHz has recently emerged as a tool for analyzing proteins with the need of less sample amount. We have applied this strategy to the analysis of the Cp149 capsids, in order to obtain sequential assignments of the amide proton resonances. For this, deuteration of the protein in bacteria was used as well, needing adaptation of sample preparation protocols. Proton detection can be successfully combined with cell-free protein synthesis, which gives low yields compared to bacterial expression. This approach is of potential interest to analyze capsid assembly modulation induced by the presence of drugs. While we have started in the framework of this thesis to analyze the capsid in presence of different capsid assembly modulators by carbon-13 detected NMR on E. coli and reassembled capsids (preliminary results not reported here), proton detection opens the way to an analysis of the impact of capsid modulation directly on the exit of the core proteins from the ribosome, on assembly. We showed that cell-free expression combined with proton-detection solid-state NMR can be used to analyze capsid chemical shifts, and thus in future work the conformational modulations

L’un des enjeux pour le développement des batteries tout-solide est d’augmenter la conductivité ionique des électrolytes solides. Le sujet de la thèse porte sur l’étude de deux types de matériaux d’électrolytes solides inorganiques cristallins: les Grenat Li7- 3xAlxLa3Zr2O12 (LLAZO) et les Nasicon Li1.15- 2xMgxZr1.85Y0.15(PO4)3 (LMZYPO). L’objectif de cette étude est de comprendre dans quelle mesure les propriétés conductrices des matériaux étudiés sont impactées par des modifications structurales générées soit par un procédé de traitement particulier, soit par une modification de la composition chimique, et ce grâce au croisement des données structurales acquises par diffraction des rayons X (DRX) et Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) MAS avec des données de dynamique des ions déduites de mesures de RMN en température et de spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE).Les poudres ont été synthétisées après optimisation des traitements thermiques par méthode solide-solide ou solgel. La densification des pastilles utilisées pour les mesures de conductivité ionique par SIE a été réalisée par la technique de frittage Spark Plasma Sintering (SPS).Dans le cas des grenats LLAZO, l’originalité de notre travail est d’avoir montré qu’un traitement de frittage par SPS, au-delà de la densification attendue des pastilles, engendre également des modifications structurales qui ont des conséquences directes sur la mobilité des ions lithium dans le matériau et par conséquent sur la conductivité ionique. Une augmentation franche de la dynamique microscopique des ions lithium après frittage par SPS a en effet été observée par des mesures en température de RMN de 7Li et le suivi des constantes de relaxation.La deuxième partie de l’étude constitue un travail exploratoire sur la substitution de Li+ par Mg2+ dans LMZYPO. Nous avons ainsi étudié les propriétés de conduction ionique de ces composés mixtes Li/Mg, en parallèle d’un examen minutieux des phases cristallines formées. Nous avons notamment montré que la présence de Mg2+ favorise la formation des phases β’ (P21/n) et β (Pbna) moins conductrices ce qui explique la diminution de la conductivité ionique avec le taux de substitution de Li+ par Mg2+ observée dans ces matériaux de type Nasicon.Nos travaux soulignent donc l’importance primordiale des effets de structure sur les propriétés de matériaux d’électrolytes solides de type céramique. / One of the issues for the development of all-solid-state batteries is to increase the ionic conductivity of solid electrolytes. The thesis work focuses on two types of materials as crystalline inorganic solid electrolytes: a Garnet Li7-3xAlxLa3Zr2O12 (LLAZO) and a Nasicon Li1.15-2xMgxZr1.85Y0.15(PO4)3 (LMZYPO). The objective of this study is to understand to what extent the conduction properties of the studied materials are impacted by structural modifications generated either by a particular treatment process, or by a modification of the chemical composition. Structural data acquired by X-ray diffraction (XRD) and Magic Angle Spinning (MAS) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) were then crossed with ions dynamics data deduced from NMR measurements at variable temperature and electrochemical impedance spectroscopy (EIS).The powders were synthesized after optimizing thermal treatments using solid-solid or sol-gel methods. Spark Plasma Sintering (SPS) technique was used for the densification of the pellets used for ionic conductivity measurements by EIS.In the case of garnets LLAZO, the originality of our work is to have shown that a SPS sintering treatment, beyond the expected pellets densification, also generates structural modifications having direct consequences on the lithium ions mobility in the material and therefore on the ionic conductivity. A clear increase of the lithium ions microscopic dynamics after SPS sintering was indeed observed by variable temperature 7Li NMR measurements and the monitoring of the relaxation times.The second part of the study provides an exploratory work on the substitution of Li+ by Mg2+ in LMZYPO. We studied the ionic conduction properties of these mixed Li/Mg compounds, in parallel with a fine examination of the crystalline phases formed. We have showed in particular that the presence of Mg2+ favors the formation of the less conductive β’ (P21/n) and β (Pbna) phases, which explains the decrease of the ionic conductivity with the substitution level of Li+ by Mg2+ observed in these Nasicon type materials.Our work therefore highlights the crucial importance of structural effects on the conduction properties of ceramic solid electrolyte materials.

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The concept of noncovalent bonding has evolved over the last number of years to include a very interesting class of interactions that is analogous to hydrogen bonding, called σ-hole interactions. These result from the depletion of electrostatic charge on the opposite end of a covalent bond between an electron-withdrawing substituent and a bond donor atom, which resides in groups 14-17 of the periodic table. One of these interactions is the tetrel bond (TB), whereby the bond donor is a group 14 element (T=C, Si, Ge, Sn, Pb). This thesis's primary goal is to explore the solid-state NMR parameters arising from the formation of tetrel bonds. To this end, combined density functional theory (DFT) and experimental multinuclear solid-state NMR spectroscopic investigations are carried out on complexes featuring carbon, Pb(II) and tin tetrel bonds. Firstly, solid-state NMR and computational approaches are used to examine a series of cocrystals formed from either caffeine or theophylline and several other small organic acceptor molecules. It is shown that the NMR response due to tetrel bond formation is detectible, but it can be hidden by other effects, including those of crystal packing. Careful analysis of NMR data alongside DFT calculations can reveal that the weak tetrel bond in these sorts of complexes increases the ¹³C chemical shift by 3-5 ppm. Next, a study of five Pb(II) centres hemidirectionally coordinated by isonicotinoyl hydrazone ligands demonstrates that the ²⁰⁷Pb NMR response is highly sensitive to the Pb(II) coordination environment. The NMR data indicate that a tetrel bond can induce an NMR response corresponding to a coordination environment between hemidirectional and holodirectional character. Finally, a series of organotin chloride donor molecules complexed with N-oxides and carboxylates, which feature short and linear tetrel bonds, are subjected to magic angle spinning (MAS) NMR experiments. The recorded data gives rise to a correlation between the tetrel bond length and both the experimental chemical shift and the ¹J(¹¹⁹Sn-³⁵Cl) coupling. Throughout this thesis, it is demonstrated that the isotropic chemical shift, the principal components of the chemical shift tensor, and indirect spin-spin coupling can be used to probe and gain insights into the electronic environment at the tetrel bond. More importantly, this work is fundamental to rationalize NMR data while refining crystal structure data in NMR crystallographic approaches for compounds featuring tetrel bonds.

Les supercapacités électrochimiques sont des dispositifs de stockage d’énergie à haute puissance, permettant d’emmagasiner et de relarguer l’énergie très rapidement. Parce qu’ils ne peuvent stocker de grandes quantités d’énergie, ces dispositifs sont souvent utilisés en tandem avec des batteries qui, elles, ont de grandes densités d’énergie. Le stockage d’énergie dans les supercapacités se fait principalement par le déplacement des ions dans la double couche électrique de carbones activés (élaboré par un traitement thermique en base concentrée pour augmenter la taille et la quantité des pores) à haute surface spécifique. La présence de réactions faradiques lors du stockage permettrait d’augmenter l’énergie spécifique des supercapacités et d’en améliorer l’utilisation. L’approche préconisée dans le groupe Rochefort pour arriver à ce but est d’ajouter une espèce redox soluble dans l’électrolyte. Les liquides ioniques redox (donc modifiés avec un centre électroactif) sont particulièrement prometteurs par leur grande solubilité dans les électrolytes à base de solvants organiques. Il y a toutefois bien peu de connaissances sur leur fonctionnement et leurs interactions avec les électrodes de carbone activé. Dans le cadre de ce mémoire, nous avons étudié les interactions entre un liquide ionique redox modifié avec le groupement ferrocène [EMIm][FcNTf] (1-Ethyl-3-methylimidazolium Ferrocénylsulfonyl(trifluorométhylsulfonyl) imide) et deux matériaux en carbone poreux. L’utilisation de deux carbones commerciaux YP-80F et YP-50F, qui ont une des formes de pores semblable, mais des distributions des pores différentes, a permis de mieux comprendre l’effet de la taille des pores sur le stockage. Le carbone avec la plus grande proportion de pores de grande taille allant jusqu’à 3 nm, le YP-80F, a révélé une forte augmentation de l’énergie spécifique de l’ordre de 30 % à 40 % par rapport à celui avec des pores plus restreints (32,9 Wh/kg pour YP-80F contre 19,7 Wh/kg pour YP-50F). Pour déterminer si l’augmentation de l’énergie spécifique est à l’origine d’une meilleure accessibilité des ions redox volumineux aux pores du carbone, nous avons utilisé la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à l’état solide (RMN en 19F). Les études RMN ont montré que le carbone YP-80F, lors de sa charge, contient une plus grande proportion d’ions dans les pores que le YP-50F qui présente des pores de plus petite taille. Ces résultats permettront de développer des espèces électroactives mieux adaptées aux carbones avec lesquels elles sont utilisées et d’améliorer le stockage d’énergie dans les supercapacités électrochimiques. / Electrochemical supercapacitors are high-power energy storage devices that can store and release energy very quickly. Because they cannot store large quantities of energy, these devices are often used in tandem with batteries, which have high energy densities. Energy storage in supercapacitors is mainly achieved by moving ions in the electric double layer of activated carbons with high specific surface area. The addition of faradic reactions during storage would increase the specific energy of supercapacitors and improve their utilization. The approach followed by the Rochefort group to achieve this goal is to add a soluble redox species to the electrolyte of the supercapacitor. Redox ionic liquids (i.e. modified with an electroactive center) are particularly promising because of their high solubility in electrolytes. However, very little is known about how they work and interact with activated carbon electrodes. In this work, we studied the interactions between a redox ionic liquid modified with the ferrocene moiety and two porous carbon materials. Using two commercial carbons YP-80F and YP-50F, which have similar porosity but different pore distributions, we were able to gain a better understanding of the effect of pore size on storage. The carbon with the highest proportion of large pores, YP-80F, showed a strong increase in specific energy of the order of 30% to 40% over that with smaller pores (32,9 Wh/kg for YP-80F vs. 19,7 Wh/kg for YP-50F). Solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was used to determine whether the increase in specific energy was due to greater accessibility of bulky redox ions to the carbon pores. NMR studies have shown that YP-80F carbon, when charged, contains a higher proportion of ions in the porosity than YP-50F, which has a more restricted porosity. These results will enable us to develop electroactive species better suited to the carbons with which they are used, and to improve energy storage in electrochemical supercapacitors.

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Unlike canonical phytochromes, the GAF domain of cyanobacteriochromes (CBCRs) can bind bilins autonomously and is sufficient for functional photocycles. Despite the astonishing spectral diversity of CBCRs, the GAF1 domain of the three-GAF-domain photoreceptor all2699 from the cyanobacterium Nostoc 7120 is the only CBCR-GAF known that converts from a red-absorbing (Pr) dark state to a far-red-absorbing (Pfr) photoproduct, analogous to the more conservative phytochromes. Here we report a solid-state NMR spectroscopic study of all2699g1 in its Pr state. Conclusive NMR evidence unveils a particular stereochemical heterogeneity at the tetrahedral C31 atom, whereas the crystal structure shows exclusively the R-stereochemistry at this chiral center. Additional NMR experiments were performed on a construct comprising the GAF1 and GAF2 domains of all2699, showing a greater precision in the chromophore–protein interactions in the GAF1-2 construct. A 3D Pr structural model of the all2699g1-2 construct predicts a tongue-like region extending from the GAF2 domain (akin to canonical phytochromes) in the direction of the chromophore, shielding it from the solvent. In addition, this stabilizing element allows exclusively the R-stereochemistry for the chromophore-protein linkage. Site-directed mutagenesis performed on three conserved motifs in the hairpin-like tip confirms the interaction of the tongue region with the GAF1-bound chromophor

The need for highly efficient energy storage devices has been steadily increasing due to growing energy demands. Research in electrochemical energy storage in the form of batteries has consequently become crucial. Currently, the most commercialized battery technology is the lithium ion battery (LIB). Concerns over the relatively limited global lithium supply, however, have led to the development of sodium ion batteries (SIBs). Solid-state nuclear magnetic resonance (ssNMR) spectroscopy is an ideal technique for analyzing battery materials as it can potentially distinguish between different ions within the material. The most typical cathode for commercial LIBs are the family of NMC layered oxides with the general form Li[NixMnyCo1-x-y]O2, which consist of Li layers between sheets of transition metals (TMs). The pj-MATPASS NMR technique, in conjunction with Monte Carlo simulations, was applied to investigate the ionic arrangement within TM layers of NMC622 (Li[Ni0.6Mn0.2Co0.2]O2), which revealed the presence of ion clustering in the pristine form of this material. This thesis also investigated the promising SIB cathode, Na3V2(PO4)2F3 (NVPF). NVPF has the capability to produce energy densities comparable to those of LIBs and is well understood from a structural standpoint, however ion dynamics within the material are still undetermined. A series of materials have, therefore, been synthesized with the general form, Na3V2-xGax(PO4)2F3 (where x = 0, 1, and 2), where diamagnetic Ga3+ was introduced into the structure to enable the establishment of a structural correlation with observed Na-ion dynamics. It, therefore, became possible to explore ionic site exchange using 23Na ssNMR. Density functional theory (DFT) calculations have also been performed alongside ssNMR to confirm chemical shift assignments and provide structural insight. Additionally, electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy was also used to investigate the paramagnetic nature of NVPF and its variants. Insights into the ionic arrangement and very fast Na-ion dynamics within these materials were revealed. / Thesis / Master of Science (MSc) / The need for highly efficient energy storage devices, especially in the form of batteries, has been steadily increasing due to growing energy demands. Presently, the most commercialized types of batteries are lithium ion batteries (LIBs). Concerns over the relatively limited global lithium supply, however, have led to the development of sodium ion battery (SIB) alternatives. Various solid-state nuclear magnetic resonance (ssNMR) techniques have been employed in this thesis to investigate both LIB and SIB cathode materials. The LIB cathode Li[Ni0.6Mn0.2Co0.2]O2 was examined with a combination of ssNMR and Monte Carlo simulations, and it was found that ion clustering occurs in the pristine form of these materials. The promising family of SIB cathodes, Na3V2-xGax(PO4)2F3, was studied by a combination of ssNMR, ab initio calculations, and EPR, which allowed for a correlation to be established between the crystal structure and the fast ion dynamics within these materials.