Les ailes iridescentes du papillon Morpho rhetenor sont couvertes d'écailles profondément striées comme des réseaux de diffraction. Chaque strie est un empilement de couches minces d'air et de chitine. La recherche d'inspiration pour de nouveaux composants motive l'étude des propriétés optiques de cette structure photonique. Sa géométrie est caractérisée à différentes échelles. Les spectres de réflexion confirment les interférences. La diffraction par les stries explique la répartition spatiale de l'intensité réfléchie. Nous avons exploré les propriétés optiques des écailles en microspectrophotométrie et en micropolarimétrie. Nous simulons le champ électromagnétique dans la structure avec la méthode Rigorous Coupled-Wave Analysis. L'introduction de désordre dans la structure photonique et entre écailles permet de mieux comprendre les résultats des mesures. Des simulations avec la méthode des éléments finis et la première approximation de Born montrent l'intérêt de ces outils.

Les nanoparticules (NPs) bimétalliques magnétiques de type cœur-coquille présentent un énorme potentiel d'application dû à l'éventail de propriétés envisageables pour ce type d'objets. Chaque application requiert des particules aux propriétés optimisées spécifiques ce qui nécessite d'une part le développement de méthodes de synthèse et d'autre part une étude approfondie de leurs propriétés. Au cours de cette thèse nous avons mis au point des méthodes de synthèse permettant l'obtention directe de NPs 3d/4d (ici Fe/Rh) de type cœur-coquille 3d@4d ou 4d@3d en renversant les cinétiques de réduction des précurseurs des éléments 3d ou 4d. Ainsi, sous dihydrogène, les atomes de rhodium sont engendrés plus rapidement que ceux de Fe (formation de NPs Rh@Fe) alors que le contraire est observé en présence de complexe amine-borane (d'où la formation de NPs Fe@Rh). Sur ce système qui combine un métal magnétique (Fe) et un métal magnifiquement polarisable (Rh) nous avons pu étudier l'influence de l'ordre chimique et de la structure (sondés par WAXS, EXAFS et XANES) sur les propriétés magnétiques des NPs par des mesures couplées SQUID, Mössbauer et XMCD. Nous avons dans un deuxième temps développé la synthèse de NPs d'alliage CoAl et utilisé la plus forte réactivité de l'aluminium vis-à-vis du dioxygène pour engendrer la ségrégation du Co et la formation d'alumine dans le but d'obtenir in fine de systèmes Co@Al2O3. Cette ségrégation a été suivie par des mesures d'aimantation au SQUID.

Pour exprimer sa fonction biologique, une protéine doit adopter une conformation spatiale unique et très précisément définie. On parle de " repliement " vers la structure " native ". La compréhension des mécanismes accompagnant ce processus est actuellement l'un des principaux enjeux de la recherche en biophysique. Dans ce contexte, nous avons mis en place une technique originale de mesure du dichroïsme circulaire, permettant de suivre avec précision les dynamiques structurales de petites molécules chirales en phase aqueuse, sur des échelles de temps allant de la picoseconde à la nanoseconde. Appliquée dans le domaine de l'ultraviolet, elle permet d'étudier les premières étapes du repliement de structures secondaires modèles. Le principe de cette technique repose sur la mesure de l'ellipticité induite par un milieu chiral sur une onde initialement polarisée linéairement. Après avoir présenté cette nouvelle méthode, nous montrerons comment la mettre en œuvre expérimentalement. Nous la comparerons ensuite aux techniques usuelles de mesure du dichroïsme circulaire, et l'appliquerons à l'étude de trois molécules (myoglobine, [Ru(phen)3]2+, 1,1'-Binaphthol). Enfin, nous nous intéresserons aux premiers résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de l'étude du repliement en hélices alpha de polypeptides modèles. Deux techniques d'initiation du repliement seront examinées : l'excitation optique d'un chromophore greffé à l'extrémité de la chaîne peptidique, puis l'induction optique d'un saut de température.

Les déformations et ruptures gravitaires sont des processus d'évolution communs à tout massif rocheux, et se produisant à différentes échelles. Il est largement admis que ces processus sont influencés par différents facteurs parmi lesquels les hétérogénéités structurales préexistantes (hérités de l'histoire géologique du massif) et les processus d'altération physico-chimique sont de premier ordre. Cependant, l'influence respective de ces paramètres reste floue. Pour avancer dans ce domaine, nous avons utilisé une approche couplée de modélisation physique et numérique en deux et trois dimensions, en nous basant sur deux exemples naturels bien documentés que sont le glissement de La Clapière (Alpes-Maritimes, France) et les écroulements de Randa (canton du Valais, Suisse). Le premier objectif de cette thèse a été l'amélioration de la technique de modélisation physique existante afin de pouvoir d'une part introduire un grand nombre de discontinuités (fractures et failles) dans des modèles physiques, et d'autre part afin de produire des modèles en trois dimensions présentant une topographie réaliste issue de modèles numériques de terrain. Un protocole expérimental de modélisation numérique a ensuite été développé afin d'étudier l'effet de l'altération physico-chimique sur la perte de stabilité des versants rocheux et ce, à grande échelle. Les résultats ont montré, au travers de l'application de la méthode couplée de modélisation physique et numérique (en deux et trois dimensions) que les failles et fractures affectant un massif rocheux (et héritées de son histoire géologique) sont des structures influençant fortement la cinématique des déstabilisations gravitaires, notamment au travers des paramètres propres de ces structures (géométrie, persistance et densité). Il a également été montré que la topographie tridimensionnelle (de premier et de second ordre) ainsi que les propriétés mécaniques à grande échelle (incluant l'altération) ont une grande influence sur le volume mobilisé lors des déstabilisations de versant.

Ce travail consacré à l'étude des évolutions thermiques de poudre de zircone pures et dopées a montré l'importance de l'examen approfondi des propriétés de ces matériaux. Ceci nous a conduit à étudier les méthodes de préparation, a caractériser les surfaces et recenser les défauts ponctuels et a corréler les évolutions structurales aux évolutions texturales. Nous avons ainsi obtenu et caractérise des zircones non dopées constituées des phases quadratique et monoclinique, des zircones dopées au lanthane, au magnésium et au silicium de phase quadratique. Une étude cinétique expérimentale de l'influence de la composition de la phase gazeuse et du dopage sur le préfrittage a révélé : Un effet accélérateur de la vapeur d'eau; un effet stabilisant important de l'ajout de lanthane ou de silicium; peu d'effet de l'ajout de magnésium. Cette étude cinétique a permis de proposer une modélisation rendant compte des résultats expérimentaux pour les poudres non dopées, dopées au lanthane ou au magnésium. Le modèle fait apparaitre deux voies parallèles de transport de matière, l'une faisant intervenir un effet catalytique de la vapeur d'eau, l'autre une diffusion d'oxygène et donne pour chaque poudre étudiée l'étape limitante et les défauts prédominants. Cette contribution à l'étude des évolutions texturales et structurales des poudres de zircone permet d'envisager l'amélioration et la stabilisation des supports de catalyseurs.

Les surfaces nanostructurées permettent d'obtenir des effets colorés gonio-apparents lorsque les nanostructures présentent des dimensions de l'ordre des longueurs d'onde du spectre visible. ces couleurs sont habituellement modélisées par le biais d'interactions de types "interférences" ou "cristaux photoniques" entre le rayonnement lumineux et une structure modèle. dans cette thèse, l'anodisation d'aluminium est utilisée comme méthode de structuration à l'échelle submicronique. cette technique présente l'avantage d'être mature industriellement et de permettre de structurer de grandes surfaces. des effets colorés sont observés même si les structures obtenues ne sont pas parfaitement ordonnées. le but de cette thèse est de comprendre les phénomènes optiques mis en jeu dans l'obtention de ces effets. ce manuscrit se divise donc en deux parties principales, toutes deux basées sur une étude de la littérature existante. afin d'établir un parallèle entre caractérisation expérimentale et simulation numérique, la première partie présente l'outil de caractérisation optique développé. la seconde est dédiée à l'étude des effets colorés de certaines surfaces d'aluminium anodisé. cette partie propose une compréhension des phénomènes d'interaction de la lumière avec la structure d'aluminium anodisé se basant sur les caractérisations optiques et microstructurales des échantillons, associées à une modélisation de l'interaction entre rayonnement et matière structurée. cette étude montre que les structures réelles présentent un ordre à courte distance. les effets colorés sont simulés par la méthode modale de fourier par le biais de structures modèles avec un certain niveau de désordre.

Les protéines membranaires représentent environ 2/3 des cibles thérapeutiques. Le développement de nouveaux médicaments est toutefois limité par l'absence de données structurales pour de nombreuses protéines. Les protéines membranaires s'avèrent en effet difficiles à manipuler et à maintenir en solution ce qui complique leur étude structurale. Les protéines sont en général solubilisées grâce à des surfactants comme les détergents, les amphipols, les hémifluorés et les peptergents. Il est aussi possible de les étudier dans des conditions plus physiologiques en les insérant dans des membranes lipidiques telles que des liposomes, des bicelles, ou des nanodisques.Les nanodisques sont des particules protéolipidiques autoassemblées, composées de protéines d'assemblages et de lipides, qui constituent un système de membranes modèles très prometteur permettant de solubiliser des protéines membranaires dans un milieu dépourvu de détergent. D'autres avantages sont aussi la variabilité de la constitution en lipides et l'accessibilité des deux côtés de la membrane.Dans le cadre de ma thèse, j'ai mis au point l'insertion de plusieurs protéines membranaires en nanodisques afin de permettre leur caractérisation fonctionnelle, biophysique et structurale. Nous avons en particulier étudié le transporteur ABC BmrA impliqué dans la résistance aux antibiotiques et cherché à identifier les changements conformationnels de la protéine en nanodisques par microscopie électronique. Les interactions de la protéine YedZ, un homologue de NADPH oxydases, avec ses partenaires solubles potentiels ont été étudiés par différentes méthodes telles que le pontage chimique, la résonance plasmonique de surface et la spectrométrie de masse native. En parallèle, le mécanisme d'assemblage des nanodisques a été investigué. Une interaction entre les protéines d'assemblages et des cations divalents a été mise en évidence. Cette interaction a un effet sur l'oligomérisation de la protéine d'assemblage mais également sur l'homogénéité des nanodisques. Ces observations nous ont permis d'améliorer les conditions de préparation des nanodisques, condition déterminante pour le succès de nombreuses approches structurales. Nous avons pu en particulier explorer la possibilité de cristalliser ces particules en vue d'études cristallographiques. / Membrane proteins represent around 2/3 of therapeutic targets. However, the development of new drugs is hampered by the lack of structural data for many proteins. Membrane proteins are indeed difficult to handle and to maintain stable in solution, which complicates their study by structural methods. Proteins are usually stabilized by surfactants like detergents, amphipols, hemifluorinated compounds and peptergents. It is also possible to study those proteins in an environment mimicking their native conditions by incorporating them in lipid membranes such as liposomes, bicelles or nanodiscs.Nanodiscs are self-assembled proteolipidic particles, composed of a scaffold protein and lipids. This technology is a top-notch model membrane system, which provides a detergent free environment to study membrane proteins in solution. Further advantages are the possibility to vary the lipid composition and the accessibility of the incorporated protein from both sides of the membrane.During my PhD project, I have achieved the insertion of several membrane proteins into nanodiscs for functional, biophysical and structural characterizations. In particular, we have studied Bmra, an ABC transporter involved in multidrug resistance and tried to identify the conformational changes of the protein in nanodiscs by electron microscopy. The interaction of YedZ, a NADPH oxidase homologue, with potential soluble partners has been studied by various methods such as cross-linking, surface plasmon resonance and native mass spectrometry. In parallel, the mechanism of nanodiscs assembly has been investigated. An interaction between the scaffold protein and divalent cations has been revealed. This interaction influences the oligomerization of the scaffold protein but also the nanodiscs homogeneity. Those observations allowed us to improve the preparation of the nanodiscs, which was an essential step torward the success of many structural approaches. In particular, we were able to explore their accessibility to protein crystallography.

Les travaux décrits dans ce manuscrit concernent la synthèse, l’étude structurale et l’évaluation biologique d’oligopeptides abiotiques incorporant le gamma-aminoacide hétérocyclique nommé ATC (acide-4-Aminométhyl-1,3-Thiazole-5-Carboxylique). Les ATCs sont construits autour d’un noyau thiazole et présentent deux points de diversité structurale. De précédents travaux ont déterminé que la présence du noyau thiazole entre les positions alpha et béta bloquait l'angle zéta autour de 0°, structurant les homo-oligomères de poly-(S)-ATCs en une hélice 9 droite et les faisant ainsi entrer dans le domaine des foldamères. Dans une première partie, nous avons entrepris de développer une voie de synthèse simple, flexible et énantiosélective permettant d’obtenir les ATCs stéréochimiquement purs sur une échelle de plusieurs grammes à partir d'alpha-aminoacides commerciaux. L’introduction de la diversité chimique est réalisée via deux étapes-clés que sont la condensation croisée de Claisen et la réaction de cyclisation de Hantzsch. Puis l’identification des marqueurs de structuration RMN et IR-TF des oligomères d'ATCs a été mise à profit pour caractériser le repliement d’hétéro-oligomères combinant ATCs et alpha-aminoacides. Ainsi, une étude structurale par RMN, IR-TF, cristallographie RX et dichroïsme circulaire a démontré que l’enchaînement 1:1 (L)-alpha:(S)-ATC se structurait en un ruban, stabilisé par un réseau intramoléculaire de liaisons hydrogène bifides formant des pseudocycles à 9 et 12 chaînons. La distribution des chaînes latérales le long du squelette principal présente une forte analogie avec l’hélice alpha, ce qui pourrait constituer un atout majeur pour le développement de composés à finalité thérapeutique. La dernière partie de ce travail a porté sur la conception de pseudo-peptides amphipatiques pour des applications en temps qu'antimicrobiens. / This manuscript describes the synthesis, the structural study and the biological evaluation of abiotic oligopeptides incorporating the heterocyclic gamma-amino acid ATC (4-Aminomethyl-1,3-Thiazole-5 Carboxylic acid). This original block is built around a thiazole ring and displays two lateral chains. Previous work in our laboratory highlighted that the presence of the thiazole ring between the positions alpha and beta implied that zeta angle was blocked around 0°, thus structuring poly-(S)-ATCs homo-oligomers in a right-handed 9-helix foldamer. First, development of a simple, flexible and enantioselective synthesis on a few grams scale has allowed to get access of a highly diverse ATC library from commercial alpha-amino acids. Introduction of the chemical diversity occurs via two key steps implying a cross-Claisen condensation and a Hantzsch cyclization. Then identification of NMR and FT-IR structural markers of ATC-containing oligomers was used to characterize the folding propensity of hybrid α:ATC oligomers. We demonstrated that 1:1 (L)-alpha:(S)-ATC heterochiral oligomers are structured in solution in a new ribbon-like shape stabilized by a bidentate intramolecular hydrogen bond network forming 9- and 12-membered pseudorings. The distribution of lateral chains along the main skeleton shows a high analogy with alpha-helix thus constituting a major advantage for potential medicinal applications. The last part of this work has focused on the design of amphipathic ATC-containing pseudo-peptides as antimicrobial agents.

Les propriétés structurales de quatre types de cellulose cristalline (Iα, Iβ, II et IIII), incluant détails structuraux du coeur cristallin et des surfaces, comportement thermique, propriétés mécaniques et inter-conversions allomorphiques, ont été étudiées par des simulations de dynamique moléculaire (MD). Alors que la dynamique moléculaire est supposée reproduire correctement le monde réel, je me suis rendu compte que les paramètres des mailles cristallines élémentaires ainsi que la transition de phase induite par la température ne sont pas reproduites avec une précision satisfaisante. Dans l'objectif de rendre la modélisation plus fiable à compléter les expériences, j'ai dans un premier temps identifié les origines du désaccord et dans un second temps proposé de meilleurs paramètres pour les champs de forces. En utilisant ces paramètres, les caractéristiques structurales des quatre allomorphes de la cellulose sont bien mieux reproduites. Finalement, j'ai utilisé ces paramètres optimisés afin de modéliser d'une façon plus fiable certaines propriétés des cristaux de cellulose : incluant propriétés de surface, liaisons hydrogènes et caractéristiques mécaniques clefs. / The structural and physical properties of four types of crystalline cellulose (Iα, Iβ, II and IIII), including the structural details of the bulk and at the surfaces, thermal behavior, mechanical properties as well as the allomorph conversion, were studied by molecular dynamics (MD) simulation. Although simulations are in principle designed to reproduce the real world, I realized that unit cell parameters or properties such as temperature-induced phase transition were not reproduced to the precision we expected. In order to make MD more reliable to complement experiments, I first identified the origin of those discrepancies and second I proposed improved force field parameters. By using the optimized parameters, the structural characteristics of the four cellulose allomorphs were better reproduced. Finally, I used these optimized parameters to provide more reliable estimates of some structural characteristics of cellulosic crystals, such as surface properties and hydrogen bonding patterns together with key mechanical properties.

Les travaux décrits dans ce manuscrit concernent la synthèse d’oligomères de γ-amino acides hétérocycliques contraints, appelés ATCs (acides 4-Amino-(méthyl)-1,3-Thiazole-5-Carboxyliques), leur application en catalyse énamine et leur étude structurale. Les monomères d’ATC sont construits autour d’un noyau thiazole inséré entre les carbones Cα-Cβ, permettant de limiter la valeur de l’angle dièdre ζ à 0°. La présence de deux points de substitution, sur le carbone γ asymétrique et en position 2 du noyau aromatique, permet une large diversification structurale des ATCs. Ainsi, plusieurs séries d’oligomères ont été synthétisées par couplages peptidiques sur support solide. Une étude structurale de ces oligomères par RMN, IR-TF, cristallographie RX et dichroïsme circulaire a démontré qu’ils adoptaient une structure en helice C9, résultant d’un réseau de liaisons hydrogène de type COi---NHi+2 s’établissant tout au long de la séquence. L’objectif du projet présenté ici vise à étudier l’impact de la conformation des architectures développées, à la fois sur la sélectivité et sur l’induction asymétrique dans la réaction de nitro-Michael pour trois réactifs différents. Le dernier axe de ce travail a été de développer une méthode de modélisation sous contraintes RMN spécifique à la génération de modèles tridimentionel d’oligomères d’ATCs. / The work described in this manuscript is devoted to the synthesis of heterocyclic constrained γ-amino acids, named ATCs (4-Amino-(methyl)-1,3-Thiazole-5-Carboxylic acids), their application in enamine catalysis and their structural study. ATC monomers are built around a thiazole ring providing a conformational limitation around the Cα and Cβ at 0°. The presence of two diversification points both on the γ asymmetric carbon and on the position 2 of the aromatic ring, allows a large structural diversification of the ATCs. Therefore, several oligomers were synthesized using solid phase peptide synthesis. A structural study of these oligomers, employing NMR, FTIR, circular dichroism and crystallography RX, demonstrated that they adopt a C9-right-handed helix stabilized by a hydrogen bond pattern between COi---NHi+2 along the helix. The objective of the project presented in this manuscript was the design and the structural characterization of molecular edifices with predictable folding properties and the systematic study of structure-function relationships in the nitro-Michael addition reaction, for three different substrates. Eventually, the last part of this work focused on the development of a new methodology, specific to ATC-oligomers, to perform 3D-modelling studies using NMR refinement.