Les oxydes fonctionnels sont des matériaux qui manifestent des propriétés intéressantes. L'étude de l'environnement local par rapport à la structure moyenne idéale est essentiel et peut être fourni par l'utilisation de techniques modernes de résonance magnétique nucléaire (RMN). Le travail présenté dans cette thèse suit et développe ces approches combinées pour l'enquête de trois classes différentes d'oxydes fonctionnels qui trouvent des applications dans des domaines d'intérêt technologique pertinente, comme l'optique et de l'énergétique : système perovskite LaSrAlO4, mélilite LaSr(Ga/Al)3O7 et la famille de orthosilicates Li2(Fe/Mn)SiO4. / The functional oxides are performing materials showing interestant properties. The study of the local environment respect to the average struvture is essential for the deep understanding of the correlations between structure and properties ; this investigation of short and medium range can be performed with the use of solid state NMR techniques. In particular in this thesis three different classes of materials for applications in fields of optic and energy are considered : perovskite structure LaSrAlO4, the melilite system LaSr(Ga/Al)3O7 and the family of orthosylicates Li2(Fe/Mn)SiO4.

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Au cours de cette thèse, nous avons étudié plus particulièrement deux calréticulines de parasite et leur interaction avec la protéine C1q humaine, dans un contexte de détournement du système immunitaire. En effet, une stratégie de mimétisme moléculaire avec des cellules apoptotiques a été proposée pour l'exposition de calréticuline à la surface de la forme infectieuse du parasite Trypanosoma cruzi, agent vecteur de la maladie de Chagas. Dans le cas du parasite Entamoeba histolytica, agent vecteur de l'amibiase, l'interaction de C1q avec la calréticuline exposée à la surface de l'amibe est utilisée pour mieux phagocyter les cellules de l'hôte.La calréticuline est une protéine principalement localisée dans le réticulum endoplasmique où elle joue le rôle de protéine chaperonne en favorisant le repliement des protéines monoglucosylées. Une des fonctions extracellulaires de la calréticuline humaine est de favoriser l'élimination des cellules apoptotiques par les macrophages. Pour cela, la calréticuline est exposée à la surface des deux types cellulaires, à la surface desquelles elle est reconnue par C1q.Nous avons résolu la structure de fragments des deux CRTs de parasite. Des interactions de type chaperonne et un aperçu de la flexibilité du domaine P ont été observés dans l'empilement cristallin et approfondis par analyse de diffusion des rayons X aux petits angles. Ces fragments générés pour l'analyse structurale nous ont permis en plus d'identifier une région clé dans l'interaction des calréticulines avec C1q. Du côté de C1q, deux mutations dans les régions globulaires de C1q (GRC1q), inhibent l'interaction avec la CRT et les IgM, suggérant un site partagé. Pour approfondir la caractérisation de l'interaction, des études du complexe par RMN ont débuté et nous avons développé une première forme recombinante monocaténaire de GRC1q, dont nous avons déterminé la structure. Nos recherches peuvent aider à développer des traitements contre ces parasites, aussi bien qu'à décrypter le rôle de la CRT des mammifères présente à la surface des macrophages et des cellules apoptotiques. / During this thesis, we were interested in two parasite calreticulin and their interaction with the human C1q protein in the context of the subversion of the immune system. Indeed, a molecular mimicry strategy with human apoptotic cells is suggested for the calreticulin exposure on the surface of the infectious form of the parasite Trypanosoma cruzi, which is responsible of Chagas' disease. In the case of the parasite Entamoeba histolytica, which is involved in amoebiasis, the interaction of C1q with the surface-exposed calreticulin is used to enhance phagocytosis of host cells.Calreticulin is mainly localised in the endoplasmic reticulum, where it acts as a chaperone protein to favour the folding of monoglycosylated proteins. Moreover one of the extracellular functions of human calreticulin is to enhance the clearance of apoptotic cells by macrophages. This function is mediated through C1q interaction with calreticulin exposed on the surface of both cells.We solved the structure of fragments of both parasite calreticulins. Chaperone-like interactions and an overview of the flexibility of the P domain were observed in the crystal packing and deepened using SAXS analyses. The fragments generated for X-ray crystallography studies allowed us to identify a key region of the interaction between C1q and the calreticulins. Two C1q mutations located in its globular regions (GRC1q) inhibit the interaction with calreticulin and IgM, suggesting a common binding area. To further characterise theses interactions, we started NMR experiments and we produced the first single-chain recombinant form of GRC1q, which allowed solving its structure at high-resolution. Our investigations could provide tools to develop therapies against these parasites, and to decipher the role of mammal CRT on the surface of macrophages and apoptotic cells.

Les aminopeptidases représentent un groupe d’enzymes qui possèdent une fonction cellulaire clef dans les mécanismes physiologiques et pathologiques. Elles interviennent dans la cascade enzymatique après l’action des endoprotéases, dans l’homéostasie au travers le renouvellement du pool d’acides aminés, dans le métabolisme énergétique, la régulation de l’activité des peptides bioactifs, la présentation antigénique ainsi dans une diversité de mécanismes pathologiques tels que les maladies neurologiques et les infections virales et parasitaires. Les aminopeptidases TETs sont capables de former des macro-assemblages tétraédriques comprenant douze sous-unités. En vue de mieux comprendre leur fonction biologique et leur mode d'action, nous avons étudié les propriétés fonctionnelles et structurales de deux nouveaux complexes TETs issus d'archées hyperthermophiles. L'archée hyperthermophile Methanocaldococcus jannaschii ne possède qu'une version de TET (MjTET) qui a été produite dans Escherichia coli et purifiée sous forme de dodécamère. La recherche de son activité enzymatique et de ses substrats peptidiques par des tests chromogéniques et fluorogéniques, ainsi que des études par HPLC en phase inverse, montre que cette enzyme est une leucine aminopeptidase activée par le cobalt se distinguant des autres aminopeptidases M42 par son très large spectre d'action qui s'étend aux résidus aromatiques. Une structure complète de cette aminopeptidase a été résolue en combinant la cristallographie (2.4 Å) et la cryo-EM (4,1 Å). L'analyse de la poche de spécificité de MjTET permet de mieux comprendre les bases structurales de la discrimination de substrat chez les TETs. De plus, l'analyse de la structure interne de la particule permet de proposer un nouveau mécanisme de navigation des peptides à l’intérieur des particules tétraédriques de la famille TET.L'archée hyperthermophile Pyrococcus horikoshii comporte trois types de complexes TETs. L'étude d'une protéine présentant ~20 % d'identité avec ces systèmes, nous a permis d'identifier une quatrième version du système TET dans cet organisme : PhTET4. La protéine recombinante a été purifiée. Elle forme un complexe dodécamérique tétraédrique. Les études biochimiques révèlent que l'enzyme possède une spécificité très étroite dirigée exclusivement vers l'hydrolyse des résidus glycines de l'extrémité N-terminale des peptides. De plus, elle estactivée par le nickel. Ces caractéristiques permettent de proposer que, chez les archées, la multiplication et la spécialisation des enzymes TETs seraient associées au caractère hétérotrophes alors que le système des archées autotrophes se réduirait à une TET unique apte à assurer une fonction de « ménage ». / Aminopeptidases represent a group of enzymes displaying key cellular function inphysiological and pathological mechanisms. They are involved in the enzymatic cascade beyond the action of endoproteases, in homeostasis through the renewal of the amino acid pool, in the energy metabolism, in the regulation of bioactive peptide activities, in the antigen presentation and in a diversity of pathological mechanisms such as neurological diseases as well as viral and parasitic infections. Aminopeptidases TET are able of forming tetrahedral macro-assemblies built by twelve subunits. In order to better understand their biological function and their mode of action, we studied the functional and structural properties of two novel TET complexes derived from hyperthermophilic archaea. The hyperthermophilic archaeon Methanocaldococcus jannaschii has only one version of TET (MjTET) that was produced in Escherichia coli and purified as dodecameric macromolecule. The search for its enzymatic activity and peptide substrates by using chromogenic/fluorogenic assays and reverse phase HPLC studies, demonstrated that this enzyme is a cobalt-activated leucine aminopeptidase, discriminated from other M42 aminopeptidases by its very broad activity spectrum, that extends to aromatic residues. Complete structure of this aminopeptidase was determined by combining X-ray crystallography (2.4 Å) and cryo-electron microscopy (4.1 Å). Analysis of MjTET specificity pocket indicated possible molecular bases for substrate discrimination in TET peptidases. In depth investigation of the particle internal structure allowed to propose a novel peptide trafficking mechanism for the TET family tetrahedral particles. Three types of TET complexes are present in the hyperthermophilic archaea, Pyrococcus horikoshii. The study of an unassigned protein displaying ~20% identity with the PhTETs systems allowed us to identify a fourth version of TET complex in this organism: PhTET4. The recombinant protein was purified. It formed tetrahedral dodecameric complex. Biochemical studies indicated that the enzyme has a very narrow hydrolytic specificity directed exclusively toward the peptide N-terminal glycine residues. In addition, this enzyme is activated by nickel ions. These features allowed proposing that, in archaea, the multiplicity of specialized TET systems could be associated with heterotrophy while unique TET system displaying “housekeeping” function is present in autotrophic organisms.

Cette thèse porte sur deux aspects complémentaires, le développement et l’implémentation de nouvelles approches de cristallisation et de cristallographie sérielle ainsi que leur mise en œuvre dans l’étude structurale de complexes enzymes : ARNt. La cristallographie est la méthode la plus employée en biologie structurale, mais elle présente encore des points délicats. Plusieurs méthodes avancées ont été déployées dans ce travail pour y pallier qui ont conduit à la résolution de la structure de l’ARNt nucléotidyltransférase du psychrophile Planococcus halocryophilus et à l’étude de son adaptation structurale au froid ; des puces microfluidiques de cristallisation qui ont servi à la résolution de plusieurs structures à température ambiante par cristallographie sérielle ; enfin le Xtal Controller utilisé pour l’étude d’évènements de nucléation et de croissance cristalline dans un but de préparation d’échantillons pour analyse sous rayonnement XFEL. Entre autres systèmes biologiques, cette thèse présente la caractérisation de deux familles d’inhibiteurs visant les aspartyl-ARNt synthétases, notamment du pathogène Pseudomonas aeruginosa. / This thesis focuses on two complementary aspects, the development and implementation of new approaches of crystallization and of serial crystallography as well as their use in the structural study of enzymes/tRNA complexes. Crystallography is the most used method in structural biology, but it presents delicate points. Different methods were implemented in this work to overcome these points, which led to the resolution of the structure of the CCA-adding enzyme of the psychrophilic organism Planococcus halocryophilus and to the study of its structural adaptation to the cold; novel microfluidic crystallization chips that have been used for the resolution of several structures by serial crystallography at room-temperature; finally the Xtal Controller used for the study of nucleation and crystal growth events with the purpose of preparing samples for analysis under XFEL radiation. Among other biological systems, this thesis presents the study and characterization of two families of inhibitors targeting aspartyl-tRNA synthetases, including the one of the pathogenic organism Pseudomonas aeruginosa.

Ce travail a porté sur l’étude des propriétés thermiques et mécaniques des verres métalliques massifs. Dans le premier chapitre nous avons rappelé l’historique des verres métalliques massifs, leurs propriétés intéressantes et quelques applications de ces matériaux et nous les avons situés par rapport aux autres matériaux amorphes, tels que les polymères ou les verres d’oxydes. Nous avons analysé par différentes méthodes expérimentales (calorimétrie, analyse mécanique dynamique, diffraction des rayons X, microscopies électroniques) les caractéristiques de cette évolution et leur incidence sur les propriétés mécaniques. Différents alliages base zirconium, cuivre, titane ou lanthane ont été étudiés. Nous avons notamment montré que : ● Un chauffage à une température inférieure à la température de transition vitreuse (Tg) conduit à une relaxation structurale, dont la cinétique, étudiée par calorimétrie, peut être modélisée par une fonction de type exponentielle étendue. Les paramètres caractéristiques ont été déterminés pour les différents alliages étudiés. Cette relaxation conduit à une augmentation du module élastique de stockage, mais à une diminution de la composante viscoélastique de ce module, autrement dit à une diminution de la mobilité atomique. Une déformation plastique conduit à un effet inverse. Ces évolutions ont été interprétées à l’aide d’un modèle reposant sur l’existence de défauts, dont la concentration diminue lors de la relaxation structurale, mais augmente lors de la déformation plastique. ● Lorsqu’une contrainte mécanique périodique de faible amplitude est appliquée, on observe des relaxations mécaniques. Quelle que soit la composition de l’alliage, une relaxation importante est toujours observée au voisinage de la transition vitreuse, comme dans tous les autres matériaux amorphes. En plus, dans certains verres métalliques massifs, (exemple les verres base Lanthane), une relaxation secondaire est détectée à basse température. Cette relaxation, de faible énergie d’activation, est attribuée à des mouvements locaux qui se produisent dans les zones faibles du matériau, zones résultant de l’existence d’hétérogénéités à une échelle nanoscopique. ● Lorsque qu’une contrainte de forte amplitude est appliquée (cas des essais de compression), on observe un comportement caractéristique de tous les matériaux amorphes : comportement essentiellement fragile à basse température et écoulement viscoplastique à haute température. Une courbe maitresse a pu être tracée pour la viscosité. La transition d’un régime newtonien à un régime non-newtonien apparait lorsque la vitesse de déformation augmente. Tous les résultats expérimentaux ont été discutés dans le cadre d’un modèle physique, basé sur l’existence de défauts activés par une augmentation de température ou par une contrainte. / In the current work, we investigated the thermal and mechanical properties of bulk metallic glasses. The history of the bulk metallic glasses was described in the Chapter I. The clear interesting properties and applications of the bulk metallic glasses, compared with other amorphous materials, i.e. polymers and glassy oxides, were discussed. Different experimental methods [DSC, DMA, X-ray diffraction, electron microscopy] were used to investigate the features of evolution of the microstructure on mechanical properties for bulk metallic glasses. The different bulk metallic glasses, i.e. Zr-, Cu-, Ti- and La-based, have been studied in the current research. In particular, the main results as follows: ● A heat treatment performed below the glass transition temperature Tg induces the structural relaxation. The kinetics of the enthalpy relaxation was studied by differential scanning calorimetry and can be well fitted by a stretched exponential relaxation function. The characteristic parameters can be determined in different bulk metallic glasses. The structural relaxation leads to an increase of the storage modulus, on the contrary to a decrease of the visco-elastic component of the modulus. Namely, the structural relaxation induces a diminution of the atomic mobility. The plastic deformation leads to an inverse influence. Results are interpreted using a physical model, based on the existence of defects in the material, called quasi-point defects. Atomic mobility is reduced by structural relaxation due to decrease of the concentration of defects. In contrast, plastic deformation increases the concentration of defects and therefore enhances the atomic mobility. ● When a periodic mechanical stress with a low amplitude is applied, one can observe mechanical relaxation. The main (α) relaxation has been clearly observed near to the glass transition temperature in all the investigated bulk metallic glasses as well as other amorphous materials. In addition, in some cases of bulk metallic glasses (for example, Lanthanum-based metallic glass), a distant secondary relaxation has been detected at lower temperature. This relaxation presents lower activation energy, which is associated to dynamic heterogeneities and is related to local movements of “defect” on the nature of nanoscale order in glasses. ● When a large-amplitude stress is employed (case of the compression tests), one can acquire the characteristic behaviour of the amorphous materials: A typical brittle fracture phenomenon is observed at lower temperature and the flow stress can be detected at higher temperature. A master curve of the viscosity can be acquired based on the experimental results. The transition from a Newtonian to non-Newtonian regime appears when the strain rate increases. All the experimental results are discussed in the framework of physical models, based on existence of the defects, which can be activated by increasing temperature or stress.

La théorie standard de la consolidation postule que l’information est initialement encodée dans le réseau hippocampo-cortical, créant une trace mnésique au sein de l’hippocampe (HIP). Au cours du temps, la trace est transférée au cortex préfrontal médian (CPFm), et notamment au cortex cingulaire antérieur (CCA). À la suite de lésion des noyaux reuniens et rhomboide (ReRh), réciproquement connectés à l’HIP et au CPFm, le souvenir spatial se forme normalement mais ne persiste pas dans le temps. Ainsi, nous avons évalué l’impact de la lésion ReRh sur la plasticité structurale sous-tendant la persistance du souvenir spatial. Des rats lésés ReRh ont été entraînés en piscine de Morris et testés pour un rappel récent (5j) ou ancien (25j). La plasticité structurale a été évaluée par coloration de Golgi dans l’HIP et le CPFm. La lésion ReRh n'avait aucun effet sur l’apprentissage et le souvenir récent, mais a altéré celui du souvenir ancien. Dans le CA1 des rats Sham, le nombre d'épines dendritiques a été augmenté aux deux délais (5 et 25j) post-acquisition comparé au niveau basal. Après la lésion, cette augmentation n’a pas persisté entre 5 et 25j. Dans le CCA des rats Sham, le nombre d'épines dendritiques a été augmenté uniquement à 25j comparé au niveau de base, une modification non observée chez les rats lésés. Ainsi, à la lésion des noyaux ReRh perturbe la plasticité structurale sous-tendant le souvenir spatial ancien indiquant un rôle crucial de ces noyaux dans l’établissement d’un souvenir persistant. / The standard model of systemic consolidation posits that information is initially encoded in the hippocampo-neocortical network, the memory trace being first created in the sole hippocampus (HIP). Over time, the trace is progressively transferred to modules of the medial prefrontal cortex (mPFC), particularly to the anterior cingulate cortex (ACC). Following lesions of the thalamic reuniens and rhomboid nuclei (ReRh), which are reciprocally connected with both the Hipp and mPFC, a spatial memory forms normally but does not persist (Loureiro et al 2012). Therefore, we assessed the impact of ReRh lesions on structural plasticity underlying spatial memory persistence. Male Long-Evans rats subjected to NMDA lesions of the ReRh nuclei were trained in the Morris Water Maze and tested for retrieval of recent (5 days) or remote (25 days) memory. Structural plasticity was assessed on Golgi-stained material in the HIP and CPFm. ReRh lesions had no effect on learning and recent memory, but altered remote memory. In the HIP (CA1) of sham-operated rats, the spine number was increased at both 5 and 25 days post-acquisition vs baseline. After ReRh lesion, the increase did not persist from 5 to 25 days. In the mPFC (ACC) of sham-operated rats, the spine number was increased only at 25 days vs baseline, a modification not observed in ReRh lesioned rats. Thus, following lesion of ReRh nuclei, structural plasticity underlying remote spatial memory formation does not operate correctly in the mPFC and Hip, pointing to a crucial role of ReRh in memory persistence.

Très conservée, plus abondante dans les cellules en prolifération que dans les cellules<br />normales, stimulée par les rayonnements UV et ionisants, autant de caractéristiques qui ont<br />suscité notre intérêt pour l'analyse structurale et fonctionnelle de la protéine KIN17 humaine<br />(hKIN17) dans le but de caractériser sa ou ses fonction(s) dans la cellule. Plusieurs propriétés ont<br />été décrites pour la protéine hKIN17 dans différents mécanismes cellulaires tels que la réplication<br />de l'ADN, la réparation de l'ADN et le métabolisme de l'ARN. Pendant ma thèse, j'ai montré en<br />combinant des données de DC, RMN et SAXS que la protéine hKIN17 possède un domaine<br />structuré adoptant probablement le repliement d'un doigt de zinc et un domaine winged helix<br />dans sa région N-terminale. Seul le premier domaine lie les acides nucléiques, le deuxième<br />domaine ayant pour partenaires plusieurs hélicases à ARN impliquées dans la transcription et la<br />traduction. J'ai résolu par cristallographie aux rayons X la structure du domaine C-terminal qui<br />est retrouvé uniquement chez les eucaryotes supérieurs et se replie en un double domaine de type<br />SH3. J'ai montré par différentes méthodes biochimiques (filtration sur gel, gel IEF natif) que ce<br />domaine ancre la protéine hKIN17 à un complexe nucléaire acide de haut poids moléculaire dont<br />les composants sont en cours d'identification par spectrométrie de masse. De plus, il lie l'ARN et<br />les histones modifiées. L'ensemble de ces résultats confirment l'implication de la protéine<br />hKIN17 dans le métabolisme de l'ARN et précisent le rôle de chacun des domaines au sein de la<br />protéine.

La simulation numérique est un outil essentiel pour mieux comprendre la réalité des phénomènes qui se produisent au sein des milieux discrets, en particulier des milieux rocheux fracturés. Notre travail a pour objectif d'étudier le comportement mécanique et dynamique des milieux rocheux en réalisant des modèles discontinus dans lesquels les mesures de l'orientation et l'espacement interfractura, effectuées sur le terrain, sont intégrées au modèle de façon stochastique. Pour la génération des milieux fracturés numériques des algorithmes basés sur les méthodes statistiques et géostatistiques sont développés. Le comportement mécanique de modèles académiques et de structures réelles en maçonnerie est étudié grâce à la méthode Non Smooth Contact Dynamics (NSCD). Des structures en maçonneries telles que le monument historique de l'amphithéâtre de Nîmes et l'aqueduc d'Arles sont étudiées, à échelle réelle, en deux et trois dimensions pour leurs comportements dynamiques pendant une sollicitation sismique. Les modèles de milieux rocheux fracturés engendrés à partir d'études de cas sont analysés selon deux axes : l'étude de la stabilité de pentes rocheuses et la conception de travaux souterrains par la méthode NSCD en utilisant le code LMGC90. La stabilité de ces modèles est étudiée en deux et trois dimensions. Les analyses effectuées sur ces modèles ont permis de proposer des recommandations pour l'installation d'éventuels soutènements. Elles ont également permis la distinction des familles des fractures jouant un rôle prépondérant dans l'instabilité de ces massifs. La modélisation de certaines méthodes de protection en travaux au rocher telles que le boulonnage et les filets pare-pierres est ensuite abordée dans les perspectives envisagées comme développement de nos travaux.

La combinaison des effets de taille et d'alliage dans les particules bi-métalliques permet d'exalter leurs propriétés ou d'en susciter de nouvelles. La mise en évidence de tels effets dans des particules nanométriques d'alliage cobalt-rhodium a motivé cette étude. Ce travail est ainsi consacré à l'analyse de leur structure fine et de son évolution avec la composition et les conditions de la synthèse, susceptibles d'expliquer leur comportement magnétique. L'étude expérimentale s'appuie sur une large combinaison de techniques, principalement la microscopie électronique à haute résolution et la diffusion des rayons X aux grands angles. Nous avons notamment montré la brusque augmentation de la distance interatomique avec l'introduction d'une faible quantité de rhodium. Ce résultat, ainsi que ceux obtenus par des techniques sélectives en éléments comme l'EXAFS, sont en accord avec une ségrégation du cobalt en surface. L'étude théorique est basée sur un modèle de potentiel semi-empirique à N-corps. Les calculs en Monte-Carlo Metropolis confirment la ségrégation du cobalt en surface ainsi que les principaux résultats structuraux. Enfin la dernière partie de ce travail est consacrée à l'étude structurale de particules d'alliages de cobalt, de morphologies et assemblages contrôlés, destinées à des applications en microélectronique.