Divers phénomènes d'ionisation et d'électrification atmosphériques existent dans la plupart des environnements planétaires connus et les conditions dans la basse atmosphère de Mars sont propices à l'établissement de champs électriques potentiellement très élevés. La raison d'être de Micro-ARES, le capteur de champ électrique et de conductivité de la suite météo DREAMS, seule charge utile scientifiques de l'atterrisseur Schiaparelli de la mission ExoMars 2016, était de défricher cette électricité atmosphérique martienne. L’étude de l’activité électrique ainsi que de la génération de ces champs électriques dans les tempêtes de poussières martiennes permettrait de faire la lumière sur divers phénomènes physiques : La dynamique des poussières à l’échelle locale et planétaire, élément clé du climat martien, la peu comprise ionosphère martienne ou encore la chimie atmosphérique et plus précisément l’énigme du méthane martien.La thèse présentée ici détaille le développement matériel et logiciel de Micro-ARES, les tests subits par l’instrument aussi bien en chambre que sur le terrain, ainsi que le traitement des données et la physique qui sous-tend le fonctionnement de l’instrument. Puisque de futures mission embarqueront très probablement ce type de capteur polyvalent, léger et consommant peu, l’accent a été mis sur la modélisation de l’interaction entre l’électrode et l’atmosphère. Ce travail théorique dépasse le cadre de Micro-ARES sur ExoMars 2016 et est une étape nécessaire dans la compréhension et le traitement des biais induits aussi bien par l’environnement de l’instrument, son design simplifié et les comportements inattendus de l’atmosphère martienne. / Atmosphere ionization and electrification mechanisms of various sorts are known to exist in most of the planetary environments. It appears that the lower atmosphere and surface of Mars combine a number of favorable conditions for the development of intense atmospheric electric fields. Unveiling the Martian atmospheric electricity was the original goal of Micro-ARES, the electric-field and conductivity sensor of the DREAMS meteorological suite, the only scientific payload that equipped the Schiaparelli module from the ExoMars 2016 mission.The study of the electrical activity and electric field generation in Martian dust events might bring new capital knowledge on a wide range of phenomena: The local and planetary scale dust dynamics, a major component of the Martian climate, the partially understood Martian ionosphere, atmospheric chemistry and more precisely the production and destruction of the Martian methane, a still unresolved mystery.The following thesis details the hardware and software development of Micro-ARES, its testing phases, both in laboratory and on the field, and the data processing and physical processes underlying the instrument’s operation. Since future missions may carry again these kind of polyvalent, lightweight and energy-efficient sensor, emphasis was put on the modeling of the instrument's electrical coupling with the atmosphere. This theoretical work exceeds the frame of Micro-ARES in ExoMars 2016 and is necessary in order to understand and accurately compensate the biases induced by the instrument's surroundings, its simplified design and the unexpected electrical behavior of the Martian atmosphere.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de la photoluminescence de microcristaux en vue de concevoir une sonde hybride permettant des mesures de la température et de la conductivité thermique d’un échantillon aux micro/nano-échelles. Pour cela, une sonde thermorésistive en Wollaston, utilisée en microscopie thermique (SThM), a été couplée à un microcristal de Cd0.7Sr0.3F2 (4% Er3+) dopé Erbium dont le spectre d’émission est sensible à la température. Dans un premier temps, les propriétés optiques du cristal massif ont été étudiées en vue de son application en thermométrie. Nous avons travaillé à l’interprétation de son spectre de luminescence obtenu par up-conversion avec une diode laser centrée à 655 nm de 4mW. Nous avons alors proposé trois méthodes de détermination des intensités de fluorescence pour accéder à cette température via la technique RIF (Rapport des Intensités de Fluorescence). Nous avons montré qu’il était possible de déterminer sa température en utilisant les intensités des émissions des sous-niveaux Stark des niveaux thermalisés. Nous avons, ensuite, étudié le comportement en température de microcristaux fixés individuellement à l’extrémité de sondes thermorésistives. Les résultats expérimentaux ont permis d’en déduire la taille optimale du microcristal et la méthode de détermination des intensités la plus adaptée à la nano/microthermométrie.Après avoir validé notre approche de la température aux microcristaux, nous nous sommes intéressés au principe d’imagerie en température à partir des spectres de photoluminescence. Nous présentons une application sur un microsystème composé de fils conducteurs de 350nm de diamètre recouverts par un film mince de SiO2. / This PhD work focuses on the study of microcrystals photoluminescence in order to design a hybrid probe allowing micro/nano-scales measurements of a sample’s temperature and the thermal conductivity. Thus, a Wollaston thermoresistive probe used in thermal microscopy (SThM), was coupled to an Erbium doped microcrystal of Cd0.7Sr0.3F2 (4% Er3+), whose emission spectrum is sensitive to the temperature.At first, for its applications in thermometry, the optical properties of the bulk crystal have been studied. We worked on the interpretation of its luminescence spectrum obtained by up-conversion using a laser diode centered at 655 nm and 4mW. Then, we proposed three methods to determine the fluorescence intensities to access this temperature via the RIF (Fluorescence Intensity Ratio) technique. We have shown that it is possible to determine its temperature using the Stark sub-levels of the thermalized levels emissions intensities.Furthermore, we studied the temperature behavior of the microcrystals individually fixed at the end of thermoresistive probes. The experimental results made it possible to deduce the optimal size of the microcrystal and the most adapted intensity determination method for nano/microthermometry.After validating our microcrystal temperature approach, we focused on the principle of temperature imaging from photoluminescence spectra. We present an application on a microsystem composed of wires with a diameter of 350nm covered by a SiO2 thin film.

Les récepteurs purinergiques P2Xs sont impliqués dans de nombreux processus physiopathologiques et représentent des cibles thérapeutiques majeures. Leur étude souffre néanmoins d’un manque de molécules pharmacologiques sélectives des différents sous-types et les mécanismes impliqués dans les transitions allostériques restent putatifs.Nous avons développé des outils optochimiques innovants, dérivés d’azobenzènes permettant une maîtrise spatiale et temporelle inégalée de la fonctionnalité du récepteur : d’une part,un outil dérivé d’une stratégie de pharmacologie optogénétique contrôlant l’activité d’un récepteur ingéniéré et d’autre part, une sonde moléculaire capable d’induire des mouvements entre des résidus au sein de la protéine et d’étudier les mécanismes lors de l’activation. Ces travaux nous ont permis de proposer un nouveau mécanisme d’activation du récepteur. Ces deux outils pourraient être utilisés sur d’autres cibles pour des investigations moléculaires et physiologiques. / Purinergic P2X receptors are implicated in a diverse range of physiopathological processes and are therefore promising therapeuthic target. Their study suffers from the lack of pharmacological tools selective of one subtype only and mechanisms by which the receptor switches between different conformational states remain elusive.We have developed novel optochemical tools based on azobenzene derivatives to obtain a spatio temporal control of the functionality of the receptor. Inspired by optogenetic pharmacology, we have designed an engineered receptor to control electrical activity of cultured neurons. Molecular photo-switchable tweezers have been developed to explore allosteric transitions of the protein and giving new insights into the P2X pore gating mechanism. This approach provides data enabling us to purpose a new model of the active state. The versability of the two strategies makes these tools promising for molecular and physiological studies of other membrane proteins.

Récemment, un grand nombre d'objets de taille nanométrique, incluant les nanoparticules, les films minces, les dispositifs nanostructurés, présentant des phénomènes de commutation impliquant différents états de spin, ont été développé pour des applications dans le domaine des capteurs et des systèmes nanophotoniques, nanoélectroniques et nanomécaniques. En effet, Ces nanomatériaux à conversion de spin présentent une dépendance en taille des propriétés physico-chimiques très intéressantes. Même si l'origine du phénomène de conversion de spin est purement moléculaire, le comportement macroscopique de ces systèmes à l'état solide est fortement influencé par les interactions intermoléculaires élastiques. On s'attend donc à ce que les propriétés coopératives et, de manière plus générale, le diagramme de phase, soient très dépendantes de la taille du système. Au-delà de la stabilité des phases, les cinétiques de transformation dépendent également de la taille du système. Dans ce contexte, des interactions élastiques fortes conduisent dans de nombreux cas à des transitions de type premier ordre accompagnées par une séparation de phase hétérogène. Les détails du mécanisme de la dynamique spatio-temporelle associée à la transition de spin restent encore inexplorés. L'ensemble de ces phénomènes observés dans les matériaux à transition de spin demande des méthodes de caractérisation possédant une capacité d'imagerie d'une grande résolution spatiale afin d'aller au-delà des techniques de microscopie optique en champ lointain habituellement employées. Par conséquence, l'objectif global de cette thèse de doctorat est de développer de nouvelles approches qui permettent de détecter le phénomène de transition de spin avec une résolution spatiale nanométrique. Pour observer la transition de spin thermique dans les films minces, nous avons utilisé pour la première fois la microscopie optique en champ proche (NSOM en Anglais) ainsi que la microscopie à force atomique (AFM en Anglais) en conjonction avec des dispositifs originaux de chauffage à l'échelle du nanomètre, conçus à partir de nanofils et fonctionnant par effet Joule. En utilisant ces techniques, le changement de l'état de spin a pu être observé avec une résolution sub-longueur d'onde au travers des changements des propriétés mécanique et optique des matériaux. Le NSOM en mode illumination, utilisé soit en luminescence ou en mode réflexion fournit un signal utile pour la détection du changement d'état de spin mais ne permet en revanche qu'une quantification limitée du phénomène en raison de l'instabilité des échantillons (photoblanchiment, ...) . D'un autre côté, les différents modes mécaniques AFM, incluant la spectroscopie à force rapide et l'analyse multifréquentielle, ont permis des mesures quantitatives et reproductibles avec une résolution nanométrique. En particulier, nous avons été capable de mesurer pour la première fois l'augmentation du module d'Young (env. 25-30%) observée lors de la transition de l'état Haut Spin vers l'état Bas Spin et nous avons utilisé cette propriété pour réaliser une imagerie quantitative de la transition de spin. Des mesures AFM ont été faites sur des monocristaux à transition de spin. Nous avons montré que les transferts thermiques entre la sonde et l'échantillon peuvent être utilisés pour manipuler la nucléation et la propagation des phases Haut et Bas Spin dans des cristaux. Par ailleurs, ces interactions sonde-échantillon rendent difficiles l'imagerie AFM de ces phénomènes. Néanmoins, les changements d'ordre topographique de la surface au cours de la transition de spin peuvent être observés et discutés en conjonction avec les résultats de spectroscopie Raman (cartographie) et microscopie optique en champ lointain. L'ensemble de ces résultats ouvre de nouvelles possibilités d'étude et de contrôle/manipulation de ces objets bistables à l'échelle du nanomètre / Recently a variety of nanoscale objects, including nanoparticles, thin films and nanometric assemblies, exhibiting molecular spin-state switching phenomena have been developed for applications in sensors, nanophotonic, nanoelectronic and nanomechanical systems. These spin crossover nanomaterials have been also reported to exhibit interesting size-dependent properties. Indeed, even if the origin of the spin crossover phenomenon is purely molecular, the macroscopic behavior of these systems in the solid state is strongly influenced by elastic interactions between the molecules. These cooperative properties and, in general, the phase diagram are expected to depend strongly on the size of the material. Beyond the phase stability, the transformation kinetics is likely to display also size dependence. Indeed, the strong elastic interactions in these materials lead, in many cases, to first-order phase transitions and phase separation phenomena. Details of the associated spatio-temporal dynamics of spin crossover systems remain largely unexplored. All these size dependent and spatially heterogeneous phenomena in spin crossover materials call for appropriate characterization methods with high spatial resolution imaging capability, but to date only far-field optical microscopy has been used to this aim. Hence, the overall objective of this PHD thesis was to develop new approaches allowing to trigger and detect the spin crossover phenomenon with nanometric spatial resolution. For the detection of the thermally induced spin crossover in thin films, we used for the first time Near-Field Scanning Optical Microscopy (NSOM) and Atomic Force Microscopy (AFM) in conjunction with an original nano-heater device, based on Joule-heated metallic nanowires. Using these techniques the spin-state change in the films was inferred with sub-wavelength resolution through the associated optical and mechanical property changes of the material. Apertured NSOM used either in luminescence or reflectivity mode provided useful signal for detecting the spin-state switching phenomena, but rather limited quantification was possible due to sample stability issues (photobleaching, etc). On the other hand, AFM mechanical modes, including fast force spectroscopy and multifrequency analysis, allowed for quantitative and well-reproducible measurements with nanometric resolution. In particular, we have measured for the first time the increase of the Young's modulus (ca. 25-30 %) when going from the high spin to the low spin state and used this property for quantitative imaging of the spin transition. AFM measurements were also performed on spin crossover single crystals. We have shown that probe-sample thermal interactions can be used to manipulate the nucleation and propagation of the high spin and low spin phases in the crystals. On the other hand, these interactions make for difficulties for the AFM imaging of these phenomena. Nevertheless changes of the surface topography during the spin transition can be observed and discussed in conjunction with far-field optical microscopy and Raman spectroscopy data. The ensemble of these results open up new possibilities for the investigation and manipulation of these bistable objects at the nanoscale.

Ce travail de thèse étudie la dynamique et la cohérence du spin dans des ensembles de boîtes quantiques (BQ) neutres et dopées en trous d'InAs/GaAs. Les études sont menées grâce à des expériences pompe-sonde résonnantes avec la transition fondamentale. Dans un premier temps, la périodicité de l'excitation laser est transférée à la précession des spins de trous en champ magnétique transverse, dans le cadre du blocage de phase (Modelocking). Cette technique permet de passer outre les fortes inhomogénéités de l'échantillon étudié ( 105 BQ), et d'observer une resynchronisation des spins à des délais longs. On peut ainsi estimer le temps de cohérence de spin du trou, à 800 ns. De plus, des conditions expérimentales proches nous ont permis d'observer une polarisation nucléaire dynamique (PND), et ses effets importants sur la précession électronique en champ transverse. La géométrie de la PND a été caractérisée, et on a également mesuré la dynamique longue de son établissement (500 ms). Dans une deuxième partie, le développement d'une détection hétérodyne a permis d'augmenter fortement la sensibilité du dispositif pompe-sonde, et ainsi d'étudier des ensembles restreints (300) de BQ neutres dans une cavité. Nous avons caractérisé la structure fine des états de paire électron-trou en présence d'un champ magnétique longitudinal et mis en évidence la manipulation de la phase des battements quantiques de ces états par le champ magnétique lors d'une excitation linéairement polarisée selon un axe sui n'est pas axe de symétrie des BQ. / This work is a study of the dynamics and coherence of the spin in neutral and p-doped InAs/GaAs quantum dots (QDs) ensembles. The study is done thanks to pump-probe experiments, resonant with the fundamental transition. Firstly, the periodicity of the exciting laser is transferred to the precession of the hole spins in a transverse magnetic field, in the Modelocking frame. This techniques allows to overcome the strong inhomogeneities of the sample studied ( 105 QDs), and to observe a resynchronization of the spins at long delays. We can therefore estimate the coherence time of the hole spin to be 800 ns. Furthermore, similar experimental conditions allow us to observe dynamical nuclear polarization (DNP), and its important influence on the electron spin precession in a transverse field. The geometry of the DNP is characterized, and its long dynamic (500 ms) is measured. In a second part, the development of a heterodyne detection allows to improve greatly the sensitivity of the pump-probe setup, and hence to study small ensembles (300) of neutral QDs embedded in a cavity. We have characterized the fine structure of the electron-hole pair states in a longitudinal magnetic field, and demonstrated the manipulation of the phase of the quantum beats between these states by the magnetic field, when the excitation is done according to an axis that is not a symmetry axis of the system.

Ce travail a pour objectif de réorienter un cristal liquide nématique par la photoisomérisation de deux composés azoïques greffés sur des lames de verre, le DR19 et le DR1. Dans une première étape, nous avons procédé à la silanisation de ces composés photosensibles afin de pouvoir les greffer chimiquement sur des substrats siliciques. Nous avons ensuite greffé ces chromophores sur de la silice mésoporeuse afin d’optimiser la méthode de greffage. Deux paramètres ont été pris en compte dans cette étude : la nature du solvant et le taux d’hydratation de la surface. Une analyse quantitative, structurale et spectroscopique des matériaux hybrides, nous a permis de conclure à la chimisorption des deux azosilanes sur la surface de la silice. Les greffages du DR19Si en milieu éthanolique aqueux d’une part, et du DR1Si dans le THF sur de la silice hydratée d’autre part, ont donné les meilleurs résultats du point de vue quantitatif. A partir de ces résultats, nous avons procédé au greffage des azosilanes sur les lames de verre en mettant en évidence l’importance du film d’eau physisorbé en surface. La caractérisation chimique par les spectroscopies UV/Visible et SPX a démontré la présence des chromophores sur la surface des lames. Une modélisation par SPX des lames de verre fonctionnalisées a été également effectuée puis confirmée par MFA. Enfin, l’action de ces lames fonctionnalisées par greffage sur la réorientation du 5CB a été appréciée au moyen d’un montage pompe-sonde. L’efficacité cinétique et quantitative des chromophores greffés sur une surface a été comparée à celle des chromophores libres dispersés dans la mésophase. / This work aims to reorientate a nematic liquid crystal by the photoisomerization of two azo compounds grafted on glass slides, the DR19 and the DR1. First, we have proceeded to the silanisation of these photosensitive compounds in order to be able to graft them chemically on silica substrates. Then we have grafted these chromophores on mesoporous silica in order to optimize the grafting method. Two parameters have been taken into account in this study: the nature of the solvent and the surface hydration rate. A quantitative, structural and spectroscopic analysis of hybrid materials enabled us to conclude to the chemisorption of both azosilanes on silica surface. Quantitatively, the DR19Si grafting in an ethanolic aqueous solution, and the DR1Si one, in a THF solution on hydrated silica gave the best results. From these results, we have proceeded to the azosilanes grafting on the glass slides while highlighting the importance of the physisorbed water film on the surface. Chemical characterization by UV/Visible and XPS spectroscopy has shown the presence of chromophores on the slides surface. A modelling by XPS, of the functionalized glass slides was also carried out and confirmed by AFM. Lastly, the action of these slides functionalized by grafting on the 5CB reorientation has been appreciated by means of an experimental pump-probe set-up. The kinetic and quantitative effectiveness of grafted chromophores on a surface have been compared with the one of free chromophores dispersed in the mesophase.

Le travail de recherche qui est rapporté dans ce manuscrit porte sur les couches minces de pérovskites et leur utilisation dans le cadre de la problématique des microcavités en régime de couplage fort. L’arrangement cristallin des pérovskites forme une structure en multi-puits quantiques dans laquelle les états excitoniques présentent une grande force d’oscillateur et une énergie de liaison importante (quelques 100 meV), en raison des effets de confinements quantique et diélectrique. Un premier axe de ce travail a consisté à collecter des informations sur les propriétés excitoniques de ces matériaux. Sur une pérovskite particulière (PEPI), nous avons notamment effectué des mesures de photoluminescence sous excitation impulsionnelle et des mesures pompe-sonde qui semblent suggérer l’existence, sous forte densité d’excitation, d’un processus de recombinaison Auger des excitons. Un deuxième axe de recherche fut de mettre en cavité des couches de certaines pérovskites. Avec les pérovskites PEPI et PEPC, nous avons montré que la réalisation de microcavités présentant un facteur de qualité de l'ordre de la dizaine suffit à obtenir, à température ambiante, le régime de couplage fort en absorption et en émission avec des dédoublements de Rabi pouvant atteindre 220 meV. Un goulet d’étranglement dans la relaxation des polaritons a été clairement mis en évidence pour la microcavité PEPI. Nous avons d’autre part montré que les pérovskites pouvaient également être associées à des semi-conducteurs inorganiques dans des microcavités dites "hybrides". Selon Agranovich et al., ces dernières pourraient, dans le cadre de la problématique du laser à polaritons, constituer une alternative à l'augmentation du facteur de qualité des microcavités. Dans cette optique, le couple ZnO/MFMPB semble particulièrement prometteur. / The research work which is reported in this manuscript focuses on 2D perovskites and their use to obtain microcavities working in the strong coupling regime. Perovskite structure forms a multi-quantum wells in which the excitonic states have a high oscillator strength and a large binding energy (a few 100 meV) due to quantum and dielectric confinement effects. A first axis of this work was to collect information on the excitonic properties of these materials. On a particular perovskite (PEPI), we performed photoluminescence and pump-probe measurements, which seem to suggest the existence, under high excitation density, a process of Auger recombination of excitons. A second research axis was to put in cavity thin layers of some perovskites. With PEPI and PEPC perovskites, we have shown that the realization of microcavities with a quality factor of the order of ten is sufficient to obtain at room temperature, the strong coupling regime in absorption and emission with Rabi splitting up to 220 meV. A bottleneck effect has been clearly demonstrated for the PEPI microcavity. We have also shown that perovskites could be associated with inorganic semiconductors in “hybrid” microcavities. According Agranovich et al., these microcavities could present polariton lasing with lower quality factors. To this end, the ZnO/MFMPB association seems particularly promising.

La Spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire (NMRS) est une technique largement connue pour l'analyse de molécules chimique et biologiques. Cependant, en raison de la faible intensité des signaux de RMN, il est très difficile de travailler sur des volumes inférieurs à un mm³. Cette limitation a conduit à la mise au point de capteurs miniaturisés tels que les microbobines, les centres NV et des magnétomètres atomiques. Au cours de cette thèse nous avons développé une approche basée sur l'utilisation de capteurs à MagnétoRésistance Géante (GMR), capteurs magnétiques à large de la bande, capable de détecter localement le signal RMN. Les capteurs GMR, sur différents substrats tels que le silicium, le verre et l’alumine, ainsi que la configuration du montage RMN ont été spécifiquement conçus pour avoir une détectivité dans la gamme de 20pt/sqrt(Hz) et capable de travailler avec un champ magnétique externe jusqu'à 1 Tesla. Nous allons d’abord présenter les résultats obtenus à 0.3T sur de l’eau, dans la configuration où la RMN locale est effectuée dans un grand volume, mettant en évidence le caractère fonctionnel du montage. Puis les résultats obtenus, également à 0.3T, de la spectroscopie RMN de liquides modèle comme l'éthanol où le volume sondé estimé est de l’ordre de 20x20x20μm³. Finalement un résultat à un champ magnétique plus élevé, 0.6T, a également été montré sur de l’eau. / Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMRS) is a widely known technique for chemical and biological molecule analysis. However due to the weakness of the NMR signals, it is very difficult to work on volumes lower than a mm³. That limitation has led to the development of miniaturized sensors such as microcoils, NV centers and atomic magnetometers. We will present our approach based on the use of Giant Magnetoresistive sensors (GMR) as wide band magnetic sensors to detect locally the NMR signal. GMR sensors and NMR set up have been specifically designed to have a detectivity in the range of 20pt/sqrt(Hz) and able to work with external magnetic field up to 1T. We will first present the results obtained at 0.3T on water, in the configuration where the local NMR is done on a high volume, highlighting the functionality of the set-up. Then we will show the results obtained also at 0.3T, of NMR spectroscopy of model liquids like Ethanol on a volume of the order of 20x20x20μm³. Finally, a result at a higher magnetic field, 0.6T, has also been obtained on water.

Les Métallo Protéases Matricielles (MMP) en tant qu'endopeptidases à zinc ont une large gamme de fonctions biologiques allant du remodelage tissulaire à la modulation de la réponse cellulaire. Une modification de leur activité protéolytique est souvent associée à de nombreux désordres biologiques. In vivo, ces protéases sont soumises à de nombreuses modifications post-traductionnelles. Elles sont sécrétées sous formes latentes à l'extérieur des cellules pour être ensuite transformées en forme fonctionnelles. Ces dernières sont ensuite inhibées par des inhibiteurs endogènes. En raison de leur sécrétion dans l’espace extra cellulaire, les MMP sous formes actives ont longtemps été considérées comme de simples ciseaux moléculaires capable de dégrader uniquement la matrice extracellulaire. Cependant, le remodelage tissulaire ne constitue pas la fonction unique et encore moins la fonction principale de ces enzymes. Elles peuvent en effet cliver une grande variété de substrats non matriciels et à ce titre sont impliquées dans la progression tumorale, l'immunité et l'inflammation. Pour ajouter une complexité supplémentaire à la biologie des MMP, il a été récemment montré que certaines MMP ont une localisation intracellulaire associée à des fonctions non protéolytiques. Ces observations, mais aussi celles montrant que ces protease participent à la progression de la maladie alors que d'autres ont une fonction protectrice, soulignent la nécessité de mieux documenter leur activation spatiale et temporelle dans divers contextes biologiques.Le profilage protéique basé sur l'activité vise à analyser l'état fonctionnel des protéines dans des échantillons biologiques complexes. À cette fin, des sondes basées sur l'activité (ABP), qui réagissent avec les enzymes en s’appuyant sur leur mécanisme catalytique, ont été développées pour la détection d’enzymes sous formes actives, notamment dans le cas des protéases à sérine et à cystéine. Une sonde basée sur l’activité (ABP) est classiquement composée : i) d’un groupement réactif conduisant à la modification covalente de résidus au sein du site actif de l’enzyme, ii) d’un motif de liaison imposant la sélectivité au groupement réactif et iii) d’un groupement rapporteur permettant la détection des enzymes ciblées. Cette approche ne s’applique toutefois pas aux MMP, pour lesquelles il n’existe pas de résidus nucléophiles conservés au sein du site actif. À cet égard, tous les ABP ciblant les MMP comportent un groupement photo activable qui, sous irradiation UV, favorise la formation du complexe covalent. De telles sondes photo sensibles ont permis de détecter les MMP sous leurs formes actives dans des tissus et des fluides, mais pas chez les animaux vivants au sein desquels l’étape de photo-activation ne peut être réalisé.Dans ce contexte, en nous appuyant sur un contexte structural favorable et en exploitant la chimie de l'acyl imidazole (LDAI) dirigée par un ligand, nous avons identifié une nouvelle série de sondes capables de modifier de manière covalente les MMP sans recourir à la photo-activation. Nous avons ainsi validé la capacité de ces sondes à marquer de manière sélective et efficace la MMP12 humaine in vitro et dans des protéomes complexes. Dans ce dernier cas, jusqu’à 50ng de hMMP12 correspondant à 0,05% du protéome total peuvent être détectés. Nous avons également déterminé l'identité de l’unique résidu modifié de façon covalente au sein du site actif de la hMMP-12 et vérifié que cette modification avait peu d'impact sur l’activité protéolytique de cette dernière. Nous avons démontré que cette approche permettait de détecter des MMP endogènes. Enfin, nous avons étendu cette stratégie de marquage à un panel plus large de MMP.En développant la première stratégie de marquage des formes actives de MMP «sans photo-activation», il semble maintenant possible d’envisager la détection de ces enzymes à la fois dans les protéomes complexes et in vivo. / Matrix MetalloProteases (MMPs) as zinc endopeptidases have a wide range of biological functions, and changes in their proteolytic activity underlie many biological disorders. Since their proteolytic activity has to be tightly controlled to prevent tissue destruction, theses proteases are subjected to numerous posttranslational modifications in vivo. They are secreted under latent forms outside of the cells, and are subsequently processed into their functional form that can be further inhibited by endogenous inhibitors. Due to their delineated area of activation, MMP active forms have long been considered for their unique ability to degrade extracellular substrates. However, turnover and breakdown of the extracellular matrix are neither the sole nor the main function of MMPs. These enzymes can indeed process a wide variety of non-matrix substrates and are involved in the regulation of multiple aspects of tumor progression, immunity and inflammation. To add further complexity to MMPs biology, some members within the family were recently reported to have intracellular localization associated to non-proteolytic functions. These observations but also those evidencing that some MMPs participate in disease progression while others have a protective function, stress the need to better document their spatial and temporal activation in various biological contexts.Activity-based protein profiling (ABPP) aims to analyze the functional state of proteins within complex biological samples. To this purpose, activity-based probes (ABPs) that react with enzymes in a mechanism-based manner have been successfully developed for the profiling of several enzymes including serine and cysteine proteases. A typical Activity-Based probe (ABP) is composed of i) a reactive warhead, which reacts in a covalent manner with enzyme active site residues, ii) a targeting moiety that imposes selectivity upon the reactive group and iii) a detectable group for subsequent analyses. This approach is not applicable to MMPs, which lack a targetable nucleophile involved in the catalysis. In this respect, all ABPs directed to MMPs are affinity-based probes (AfBPs) containing within their structure a photo cross-linking group that promotes the formation of a covalent complex upon UV-irradiation. Such photoactivatable probes have been successfully developed for the detection of MMPs under their active forms in fluids and tissue extracts, but not in living animals where the photo-activation step is not feasible.By relying on a favorable structural context and by exploiting the ligand-directed acyl imidazole (LDAI) chemistry, we have identified a novel series of AfBPs capable of covalently modifying matrix metalloproteases without making use of photo-activation. These active-site-directed probes whose structure was derived from that of a MMP12 selective inhibitor harbored a reactive acyl imidazole in their P3' position. They demonstrated their labelling specificity in vitro by covalently modifying a single Lysine residue within the MMP-12 S3' region. We also showed that these probes only targeted functional states of hMMP-12 and spared forms whose active site was occluded either by a synthetic or a natural inhibitor. We have validated the ability of these chemical probes to efficiently label human MMP12 in complex proteomes. In this case, down to 50 ng of hMMP12 corresponding to 0.05% of the whole proteome can be labelled and detected by in-gel fluorescence analysis. We demonstrated that this approach also allowed detecting endogenous MMPs secreted by stimulated-macrophages. In addition, by modifying the nature of the targeting moiety, we have extended this affinity-labeling approach to six other MMPs.By developing the first “photo activation-free” strategy to covalently modify active forms of MMPs, the unresolved proteomic profiling of native MMPs should be now accessible both in complex proteomes and in preclinical model in which MMPs are potential relevant targets.

Le monoxyde d’azote (NO), un neurotransmetteur important en biologie, a attiré l’attention ces dernières années pour son rôle majeur joué dans l’apparition d’une myriade de maladies telles que certains cancers, diabètes etc. Comprendre les mécanismes biologiques liés à la production du NO pourrait aboutir à la découverte de nouveaux moyens thérapeutiques. Cependant, le fonctionnement de l’enzyme qui produit le monoxyde d’azote, la NO-Synthase, n’est pas complétement élucidé. Dans ce but, des approches biomimétiques peuvent apporter une solution. Les microréacteurs ou proto-cellules, enveloppes imitant sommairement la compartimentation cellulaire sont un outil de choix, permettant de répliquer un environnement contrôlé où les concentrations et distances de réactions sont proches d’une cellule, permettant ainsi d’étudier le fonctionnement de la NO-Synthase. Cette thèse présente trois problématiques qui ont pour but de développer un tel microréacteur encapsulant la NO-Synthase : (1) la libération contrôlé d’espèces réactives déclenchée par un stimulus lumineux, (2) le suivi de l’activité de l’enzyme par des sondes fluorescentes et (3) le contrôle de la réaction enzymatique dans l’espace et dans le temps. Deux systèmes ont été étudiés pour libérer de manière contrôlée des espèces: la première consiste à déstabiliser des nano polymersomes par photo-clivage du copolymère qui le constitue. Le deuxième système est basé sur une rapide augmentation de la pression osmotique par irradiation à l’intérieur des polymersomes, induisant un éclatement de ceux-ci et la libération d’espèces encapsulées. La deuxième problématique abordée est le suivi de l’activité enzymatique au moyen de sondes hydrophobes et hydrophiles fluorescentes qui détectent le monoxyde d’azote à différent endroits du microréacteur. Le dernier point abordé est l’étude des microréacteur et la libération contrôlé en leur sein. / Nitric oxide (NO) has been identified as an important chemical messenger in cells and living organisms. Understanding the mechanism involved in NO production by NO-synthase is of fundamental importance. Mimicking basic cell functions by encapsulating NO-synthase in a controlled and confined cell like environment, could help provide information about the enzyme. Polymersomes resulting from the self-assembly of amphiphilic block copolymers were used as the synthetic cell like microreactor. To this end, three major challenges were addressed in this thesis: (1) controlling species release and concentration inside the microreactor, (2) measuring the enzyme response by NO detection and (3) controlling enzymatic reactions in space and time inside a microreactor. Light was used as the exogenous stimulus to induce release; its application is instantaneous, non-invasive and easy to control spatially and temporally. Two different ways to release species via light excitation were explored. The first strategy involves destabilization of nanopolymersomes by block separation, induced by copolymer photocleavage. The second strategy was to induce fast osmotic pressure increase of the polymersomes internal medium, resulting in bursting and species release. In order to monitor NO production by NO-synthase in different parts of the microreactor, hydrophobic and hydrophilic fluorescent NO probes have been synthesized and studied showing excellent correlation with NO concentration. The release of species inside microreactor was finally achieved in order to control enzymatic reaction.