Cette thèse présente l'étude de l'interaction d'ions multichargés de basse énergie (quelques 10 keV) avec des systèmes complexes d'intérêt biologique (acides aminés et base azotée). Dans ce cadre, l'objectif de travail se situe dans la compréhension et la mise en évidence d'effets de l'environnement moléculaire. Afin d'étudier ce phénomène, les spectres en temps de vol des produits cationiques issus de la collision ont été comparés dans le cas de molécules isolées ou au sein d'agrégats purs ou mixtes. Il est apparu que l'environnement moléculaire permettait d'une part de protéger la molécule en autorisant la répartition de l'énergie et de la charge après la collision (se traduisant par une diminution de la fragmentation globale, la fermeture de certaines voies, ...). D'autre part, l'environnement semble susceptible de fragiliser certaines liaisons intramoléculaires comme l'illustre l'apparition de nouvelles voies de fragmentions dans les agrégats d'adénine. Enfin, l'agrégat constitue également un premier environnement chimique avec lequel la molécule va pouvoir interagir. Les spectres obtenus avec des agrégats hydratés d'adénine signent par exemple le transfert d'un proton depuis les molécules d'eau vers la base azotée. Plus surprenant encore, les ions multichargés semblent induire la formation de liaisons peptidiques au sein d'agrégats de beta-alanine. Ce dernier résultat a été étudié plus en détails en fonction de la taille des agrégats ou de l'ion projectile utilisé. Un certains nombre de critères (flexibilité et géométrie de la molécule, testées en utilisant d'autres acides aminés) ont été avancés pour prédire la formation de liaisons peptidiques.

La dosimétrie neutronique en réacteur se base sur l'analyse de l'activité de dosimètres irradiés, dont certains isotopes-cibles sont l'objet de réactions d'activation ou de fission sous l'effet des neutrons. Les différentes cibles sont sensibles aux neutrons d’énergie particulière. La caractérisation des spectres neutroniques est bien établie dans les domaines thermique, epithermique (Eneutron <1 keV) et rapide (Eneutron >1 MeV), mais il y a une absence de détecteur dans le domaine énergétique entre 1 keV et 1 MeV. Le travail de thèse a abouti sur un choix final: la capture (n, &#947;) sur les isotopes 92Zr et 94Zr, présents dans le zirconium naturel, pour former les isotopes 93Zr (stable) et 95Zr (radioactif). L'expérience ZIMA a été réalisée sur le réacteur OSIRIS pour démontrer la faisabilité de la méthode de détection proposée. Les analyses post-irradiation sont la spectrométrie &#947; et la spectrométrie de masse par accélérateur. Pour analyser les résultats expérimentaux, ZIMA a été simulée avec le code neutronique TRIPOLI-4 basé sur la méthode de Monte Carlo. Les rapports Calcul/Expérience présentés dans la thèse permettent de conclure que la détection neutronique (1 keV – 1 MeV) par capture de 94Zr et 92Zr donne des résultats probants. Les mesures obtenues sont exploitables. / Reactor dosimetry goal is to reconstruct neutron spectrum in a particular reactor location. Today we can reconstruct with precision thermal (<eV) and fast (>MeV) parts of neutron spectrum by using dosimeters with an adequate sensitivity. Nowadays there is no dosimeter for the intermediate energy region 1 keV - 1 MeV. Thus, the PhD goal is to select the 1 keV - 1 MeV sensible target-isotope and nuclear reaction and verify our solution by experimental irradiation. PhD final choice is for neutron capture reaction (n, &#947;) on 92Zr and 94Zr. Neutron irradiation produces 2 isotopes: 93Zr and 95Zr, stable and radioactive. Irradiation experiment was performed in OSIRIS reactor. Post-irradiation analyses of irradiated Zr samples are &#947; spectrometry and Accelerator Mass Spectrometry. In order to simulate irradiation experiment we performed calculation with neutron transport code TRIPOLI-4, based on Monte Carlo method. The goal of ZIMA (Zirconium Irradiation for Mass and Activity analysis) experiment was to prove the feasibility of 1 keV - 1 MeV neutron detection by (n,&#947;) capture on 92Zr and 94Zr under boron nitride filter. C/E ratios presented in this PhD allow us to conclude that activation of 94Zr and 92Zr gives us acceptable results.

L'amélioration de la prédiction de l'ampleur du réchauffement climatique requiert une mesure de la concentration en CO2 dans l'atmosphère à l'échelle globale. Une mesure satellitale pourrait combler ce besoin. Le CNES a développé un instrument de nouvelle génération adapté aux applications de sondage atmosphérique. Cet instrument, un spectromètre par transformation de Fourier statique, présente une masse et des dimensions réduites par rapport aux spectromètres classiques. On étudie l'application du concept à la mesure du CO2, à l'aide d'une maquette au sol représentative d'un instrument embarqué. Celle-ci mesure le spectre solaire à travers l'atmosphère dans une bande d'absorption du CO2 autour de 1,6 µm. La concentration en CO2 est déduite de la profondeur des raies d'absorption. On présente le concept ainsi que sa mise en oeuvre expérimentale, tant pour la conception de l'instrument que pour son étalonnage et le traitement des données. Le contenu en information de la mesure est évalué. On présente la procédure d'inversion des mesures. On estime par simulation que l'erreur d'inversion est de l'ordre de ±0,6 ppm pour un objectif de ±1 ppm. Les résultats d'une campagne de mesures atmosphériques sont enfin donnés. Ils mettent en évidence les bonnes performances de l'instrument : on atteint des précisions de mesure compatibles avec l'objectif. La campagne révèle également une sensibilité de l'instrument à des paramètres autres que le CO2. Les déformations du spectromètre, dues aux variations thermiques du laboratoire, pourraient par exemple être à l'origine d'erreurs de mesure significatives. Des améliorations simples permettant d'augmenter la précision de mesure sont proposées.

On présente une méthode de mesure et de contrôle du nombre d'ondes émises par une diode laser accordable. Apres une analyse de la stabilité en fréquence de la diode on montre comment les interférences sont utilisées pour asservir le nombre d'ondes a la différence de marche stabilisée de l'interféromètre et obtenir des spectres échantillonnés.

Nous avons etudié la réduction des fonctions carbonyles de dicétals dilactames qui sont engendrées à partir d'hydroxyamidoacétals. Ces derniers sont obtenus à partir de béta-aminoalcools. Cette réduction nous a permis d'isoler 6 dicétals amino-lactames (composés monoréduits) et 6 dicétals diamines (composés diréduits), homologues dioxygénés des cyclames. Nous avons montré que la facilité de la réduction dépend de la nature des substituant et de la stéréochimie cis ou trans des groupements OMe: les dérivés cis étant plus faciles à réduire que les dérivés trans. Les dicetals amino-lactames sont obtenus à des concentrations faibles( 3 à 14x10-3M) et les dicétals diamines à des concentrations plus élevées (15 à 30 x 10-3M). L'étude des propriétés complexantes des différentes molécules synthétisées vis-à-vis du radioélément technetium-99m (99mTc) montre que seuls les dicétals diamines se prêtent à une complexation avec des pourcentages maximum de 18%. Les études d'accès aux composés dimères ont permis d'isoler 5 bis-dicétals amino-lactames et 2 bis-dicétals diamines , homologues des bicyclames à activité anti-virale.

Les caractéristiques structurales et les interactions intra et/ou intermoléculaires non-covalentes jouent un rôle primordial dans l'activité des molécules d'intérêt biologique, notamment lors de la reconnaissance moléculaire entre un médicament et son récepteur. Par ailleurs, on peut connaître par les études en phase gazeuse (sans les effets du solvant) les propriétés intrinsèques des systèmes moléculaires. Des calculs de chimie quantique élaborés peuvent ainsi être comparés aux résultats des expériences pour en tirer des informations précises. L'équipe AMIBES tente ainsi de décrire les structures de peptides, d'oligonucléotides ou de complexes d'intérêt pharmaceutiques. Pour cela, nous prenons appui sur deux techniques expérimentales complémentaires, la spectroscopie IRMPD et la spectrométrie de mobilité ionique, dont les résultats sont comparés avec des simulations. Dans ce travail de thèse, j'ai d'abord testé les prédictions d'une méthode QM/MM en ce qui concerne le calcul des spectres IR d'espèces d'intérêt biologique isolées. J'ai ensuite utilisé cette méthode pour simuler les spectres IR de brins de la protéine amyloïde β en phase gazeuse. Il ressort de ces études que leur structure secondaire varie selon l'état de protonation et le solvant dans lequel ils sont dissous: un solvant polaire favorise les structures globulaires, alors qu'une constante diélectrique plus basse permet de conserver une structure en hélice α. Je me suis également intéressé aux changements de structure induits par la complexation d'un antibiotique, la vancomycine, avec un modèle de son récepteur. En mode positif, le site de fixation de celui-ci est différent de celui révélé par la cristallographie, mais les interactions spécifiques responsables de la grande constante d'affinité en solution sont conservées dans le complexe déprotoné.

Cette étude a pour but l'étude de l'os minéralisé et de sa matrice par spectrométrie d'absorption infrarouge. L'os est un tissu conjonctif qui constitue, avec le cartilage, le squelette. Les os assurent trois fonctions: (1) support mécanique et site d'attachement du muscle pour la locomotion, (2) protectrice pour les organes vitaux. et la moelle osseuse et (3) métabolique : Réserve ionique pour tout l'organisme, spécialement en calcium et en phosphate. Les constituants fondamentaux des tissus conjonctifs sont les cellules et la matrice extracellulaire. Cette dernière est particulièrement abondante dans l'os et se compose de fibres de collagène, de protéines non collagéniques et de substances non protéiniques. Cette matrice a la possibilité de se calcifier. Anatomiquement on peut distinguer deux types d'os dans le squelette : les os plats (côte, mandibule, iliaque ... ) et les os longs (tibia, fémur, humérus) qui dérivent de deux types distincts d'histogénèses (intramembranaire et endochondrale) bien que le développement et la croissance des os longs comportent les deux types à la fois.

Cette thèse porte sur le développement d'un appareil couplant la spectrométrie de masse avec la spectrométrie de mobilité ionique et la spectroscopie laser, dans le but d'effectuer des analyses conformationnelles sur des édifices biomoléculaires. La construction, la mise au point et l'optimisation de l'appareil font l'objet de la première partie de ce mémoire. En particulier, il s'est agi de déterminer les caractéristiques de l'appareil (résolution, fréquence de fonctionnement…) par une série de tests sur des systèmes modèles. Dans un deuxième temps, nous avons effectué des mesures de spectroscopie d'action sur des conformères sélectionnés en mobilité. Nous avons étudié la relation entre la conformation et les propriétés optiques d'un système en mesurant le photo-détachement d'électron de divers conformères sélectionnés. Dans le cadre de la spectroscopie d'action, nous avons utilisé les possibilités nouvelles offertes par l'appareil pour réaliser des expériences de photo-isomérisation cis-trans sur des complexes non-covalents. Sur cet exemple, nous avons montré l'intérêt de cet appareil pour mesurer des spectres d'action de photo-isomérisation. Et enfin, nous avons montré la possibilité de réaliser des mesures de spectroscopie d'action basée sur le Transfert d'Energie par Résonance de Förster (FRET), en phase gazeuse, résolu en conformation / This thesis deals with the development of a new instrument coupling mass spectrometry, ion mobility spectrometry and laser spectroscopy. The aim is to perform structural analysis on biomolecular systems.The first part of this thesis focuses on the construction, the development and the optimization of the set-up. The main point was to determine the features of the set-up (resolution, working frequency) by series of tests with model systems.In a second phase, we did conformer resolved action spectroscopy. We studied the relation between the conformation and the optical properties of one system by measuring photo- electron detachment on different selected conformers. In the framework of action spectroscopy we used the new capacity of the set-up to perform cis-trans photo-isomerization on non-covalent complexes. We showed with this example interest of the use of this instrument to measure photo-isomerization action spectra. We finally showed the possibility to perform conformer resolved action spectroscopy measurements based on Förster Resonance Energy Transfer (FRET) in the gas phase

La spectrométrie de masse est devenue un outil indispensable pour la recherche en protéomique, notamment grâce au développement récent de nouveaux spectromètres de masse comme l’Orbitrap et de nouvelles méthodes de dissociation. La stratégie « bottom-up » (analyse des mélanges de peptides protéolytiques) est la plus utilisée par son efficacement et sa simplicité par rapport à la stratégie top-down (analyse des peptides plus longs ou des protéines intactes), mais cette dernière permet une caractérisation plus complète des isoformes de protéines et des modifications post-traductionnelles.Les méthodes de dissociation utilisant des photons, comme la photodissociation dans le domaine ultra-violet (UVPD) et la dissociation multiphotonique infrarouge (IRMPD), ont reçu une grande attention comme approches alternatives aux méthodes de dissociation par collision. L'absorption du photon UV à haute énergie peut être « diluée » sur l'ensemble du peptide ou de la protéine et provoque une fragmentation étendue du squelette peptidique (liaisons C-C), tandis que les photons IR à faible énergie augmentent progressivement l'énergie interne et dissocient préférentiellement les liaisons amide (C-N) les plus labiles.Cette thèse est centrée sur le développement de méthodes et les applications pour une caractérisation structurale de biomolécules par des méthodes d'activation utilisant des photons. L'intérêt de combiner des photons infrarouges à faible énergie et des photons UV à haute énergie dans un spectromètre de masse Orbitrap, pour la caractérisation de petites protéines, a été évalué. En outre, la dissociation infrarouge multiphotonique a été implémentée dans un piège à ions électrostatique afin d’étendre les méthodes de fragmentation aux macromolécules de très haut poids moléculaires dans le domaine mégadalton. L'une des principales avancées de cette thèse a été d'adapter ces méthodes de spectrométrie de masse aux objets biomoléculaires, allant des petits peptides (dans la gamme de masse de kilodalton) à des fibres de protéines entières (dans la gamme de masse de mégadalton) / The structural characterization of proteins often required them to be fragmented into small units containing only few amino acids. In bottom-up approach, proteins are cleaved into small peptides by enzyme then these peptides are subjected to further fragmentation in a collision cell of a tandem mass spectrometer. However, in top-down approach, proteins can directly be dissociated (without enzyme) into small fragments by collision, electron and photon-driven dissociations. Photon-based activation methods including ultraviolet photodissociation (UVPD) and infrared multiphoton dissociation (IRMPD) have received great attention as an alternative to electron-driven and collision induced dissociation methods. Absorption of the high-energy UV photon is dispersed over the whole peptide or protein and stimulates extensive C?Ca backbone fragmentation while the low-energy IR photons gradually increases the internal energy and thus favorably dissociates the most labile amide (C?N) bonds. This thesis focuses on the method development and applications for characterizing biomolecules by photon-based activation methods. The interest of combining high-energy UV photons and low-energy IR photons in an Orbitrap mass spectrometer, for protein and post-translationally modified peptide characterization, has been evaluated. Moreover, infrared multiphoton dissociation has been implemented in a gated electrostatic ion trap to push forward the limit of fragmentation methods to large megadalton ions. One of the main breakthroughs in this thesis is the ability to adapt these method developments and applications to biomolecular objects ranging from small peptides (in kilodalton mass range) to entire protein fibrils (in megadalton mass range)

Ce travail de thèse porte sur développement de méthodes en spectrométrie de masse structurale pour l’analyse de protéines recombinantes et de leurs complexes associés. L’objectif central s’est porté sur des développements méthodologiques en échange hydrogène/deutérium couplé à la spectrométrie de masse (HDX-MS). Les techniques biophysiques de caractérisation structurale à haute résolution comme la cristallographie ou la RMN se heurtent régulièrement à des problèmes de productions de cristaux, de taille de complexes analysables ou encore de quantité de matériel nécessaire importante. Le développement de méthodes spécifiques HDX-MS a permis de réaliser une caractérisation structurale de systèmes protéiques variés, et réfractaires aux approches haute résolution. La combinaison de cette approche à différents outils de MS structurale est aussi illustrée, et montre tout son intérêt pour l’obtention d’informations à résolution augmentée. / This thesis work focuses on development of structural mass spectrometry methods for the analysis of recombinant proteins and their associated complex. The central objective has focused on the development of hydrogen/deuterium exchange coupled to mass spectrometry approaches (HDX-MS). The high resolution biophysical techniques for structural characterization such as crystallography or NMR regularly face problems of crystal productions, size analyzable complex or quantity of material required. The development of specific HDX-MS methods allowed the characterization of various, and refractory protein systems to high resolution approaches. The combination of this approach with complementary structural MS tools is also illustrated, and shows its interest to obtain increased resolution information.