Functionalized nanoparticles provide a wide range of potential applications for Biological Mass Spectrometry (MS). Particularly, we have studied the effects of chromophore activity on the performance of gold nanoparticles (AuNPs) capped with substituted azo (-N=N-) dyes for analyte ion production in Laser Desorption Ionization Mass Spectrometry (LDI-MS) conditions. A series of aromatic thiol compounds were used as Self-Assembled Monolayers (SAM) to functionalize the surface of the AuNPs. Results indicate that AuNPs functionalized with molecules having an active azo chromophore provide enhanced analyte ion yields than the nanoparticles capped with the hydrazino analogs or simple substituted aromatic thiols. We have also conducted experiments using the azo SAM molecules on 2, 5, 20, 30, and 50 nm AuNPs exploring the changes of Relative Ion Yield (RIY) with increased AuNP diameters. Our results indicate that the role of the SAM to drive energy deposition decreases as the size of the AuNP increases. It was determined that 5 nm is the optimum size to exploit the benefits of the SAM on the ionization and selectivity of the AuNPs.

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation. / Abstract In the present thesis, we study the anisotropic deformation of gold nanoparticles embedded in amorphous silica or crystalline aluminum arsenide, under ion bombardment. We try to comprehend the mechanism responsible for this deformation and to remove any ambiguity related to the explanation of this phenomenon. A hybrid process combining sputtering and plasma enhanced chemical vapour deposition was used to fabricate Au/SiO2 layers on fused silica substrates. Structures with single and multilayer were obtained. Heating during or after deposition activates the Au atom agglomeration and favours the growth of the nanoparticles. Also, a Au/AlAs nanocomposite was obtained by ion implantation of AlAs films, followed by rapid thermal annealing. The samples of the two nanocomposites, cooled with liquid nitrogen, were irradiated with 2 to 40 MeV Cu, Si, Au or In ion beams, at fluences ranging from 1×1013 to 4×1015 ions/cm2, using a Tandem or Tandetron accelerator. The structural and morphological properties of the Au/SiO2 nanocomposite were extracted by optical means; the frequency and the width of surface plasmon resonance band depend on the nanoparticle shape and size, their concentration, the inter-particle distance and the dielectric properties of material in which the particles are embedded. The aluminum arsenide crystallinity was studied by two techniques: Raman spectroscopy and Rutherford backscattering spectrometry in channelling configuration (RBS/ channelling). The Au concentration in the nanocomposite layers was deducted from RBS results. The size distribution and metallic nanoparticles shape transformation in both nanocomposites were observed by electronic transmission microscopy. The results obtained within the framework of this work are the subject of three journal papers. The first publication shows the possibility of manipulating the width and spectral position of the gold nanoparticle absorption band in Au/SiO2 nanocomposites by modifying their structure (form, size and inter-particle distance). The obtained Au nanoparticles are nearly spherical. The surface plasmon (PS) absorption band corresponding to the distant particles is located at 520 nm. After ion irradiation, the spherical nanoparticles transform into ellipsoids aligned along the ion beam. The absorption band splits into two bands: transversal and longitudinal. The band corresponding to the ellipsoids small axis (transversal) is blue-shifted and that corresponding to the long axis (longitudinal) is red-shifted indicating the elongation of particles in the beam direction. The second paper is consecrated to the crucial role of the plastic deformation of the matrix and to the importance of the metal atomic mobility in the anisotropic nanoparticles deformation in Au/SiO2 nanocomposites. Our measurements show that a threshold value of 2 keV/nm (electronic stopping power) is necessary for the deformation of Au nanoparticles. This value is close to that required for silica deformation. Mobility of the Au atoms at the time of the ion passage is confirmed by temperature calculation within the ionic track. The third paper treats the attempt of formation and deformation of Au nanoparticles in crystalline aluminum arsenide matrix known by its high resistance to amorphisation and deformation under ionic bombardment. The principal result of the last article confirms the essential role of the matrix. It proves that the anisotropic deformation of surrounding material is indispensable for gold nanoparticles deformation. The experimental results mentioned above and temperature calculations within ionic tracks allowed us to propose the following anisotropic deformation scenario of Au nanoparticles embedded in Au/SiO2 nanocomposite: - Each ion crossing the silica melts (very briefly) a narrow cylinder around its trajectory forming thus a latent track. This is consistent with the observed threshold value in the electronic stopping power. - The cumulative effect of many separate ion impacts leads to the anisotropic growth of the silica matrix which contracts in the direction of the beam and elongates in the perpendicular direction. The overlap model of the ionic tracks was used to validate this phenomenon. - The deformation of silica generates strains which act on the nanoparticles in the plane perpendicular to the ion trajectory. In order to accommodate these strains, the Au nanoparticles deform in the beam direction. - The deformation of nanoparticles occurs each time an ion traverses the gold particle and melts a cylinder around its trajectory. The mobility of the gold atoms was confirmed by a calculation of the equivalent temperature from the deposited energy in the material by incident ions. The scenario above is compatible with our experimental data obtained in the case of the Au/SiO2 nanocomposite. It is further supported by the fact that the Au nanoparticules do not deform when they are integrated in AlAs which is resistant to the deformation.

Les propriétés d'une nouvelle classe de chimie de surface basée sur les monocouches auto-assemblées de liquides ioniques (ILs-SAMs), ont été étudiées pour une utilisation dans la construction de biocapteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Les biocapteurs sont utiles pour détecter des biomolécules spécifiques dans une matrice biologique complexe. Cependant, le signal analytique de la biomolécule spécifique peut être masqué par l’adsorption non spécifique de la matrice biologique, produisant une réponse faussement positive. Par ailleurs, l'activité des récepteurs moléculaires est souvent réduite par des techniques d'immobilisation chimique. Ainsi, il est essentiel de déterminer une surface idéale pour la préparation de biocapteurs. Les liquides ioniques sont bien connus pour favoriser l'activité des récepteurs moléculaires et cette étude enquête si cette propriété importante peut se traduire sur des capteurs SPR. Différents liquides ioniques ont été utilisés pour former des monocouches auto-assemblées sur une surface d'or. Les ILs-SAMs sont tous basés sur les sels de mercapto-(chaîne alkyle)nCH2-méthylimidazolium avec différentes chaînes alkyles (n = 3, 6, 9, 12) et différents contre-anions (Br-, BF4-, PF6-, NTf2-). Des études cinétiques de l'adsorption non spécifique de sérum bovin ont été réalisées sur des capteurs SPR avec un instrument construit sur mesure, basé sur l'interrogation des longueurs d’ondes SPR sur un prisme d’inversion d’image (dove). Par la suite, l’anti-IgG de chèvre sélective à l’IgG humain a été utilisé en tant que modèle pour la confection de biocapteurs sur les ILs-SAMs. En solution, il est possible d’effectuer des échanges du contre-anion des liquides ioniques pour un contre-anion de plus en plus hydrophobe. Cependant, l’échange inverse, soit vers des anions de plus en plus hydrophile, s’avère impossible. Toutefois, il a été observé par les travaux présentés dans ce mémoire, que les liquides ioniques immobilisés sur une surface d'or ont la capacité d'échanger leurs contre-anions réversiblement, procurant une méthode simple de moduler leurs propriétés physico-chimiques. Ce phénomène a été observé par la mesure d’angles de contacts et par les techniques spectroscopiques de l’infrarouge moyen (mid-IR), des photoélectrons de rayon-X (XPS) et par la diffusion Raman exaltée par les surfaces (SERS) ii ainsi que par la spectrométrie de masse (MS). La connaissance des propriétés d’échange d’anion est importante pour prédire le comportement de ces surfaces de liquides ioniques dans les tampons et fluides biologiques. / The properties of a novel class of surface chemistry based on ionic liquid self-assembled monolayers (IL-SAM) were investigated for use with surface plasmon resonance (SPR) biosensors. Biosensors are useful to detect specific biomolecules in a complex biological matrix. However, the analytical signal of a specific biomolecule can be masked by nonspecific adsorption of the biological matrix, resulting in a false positive response. Moreover, the activity of molecular receptors is often reduced by current immobilization chemistry. Thus, it is essential to determine an ideal surface for the preparation of biosensors. Ionic liquids are well-known to promote the activity of molecular receptors and this study investigates if this important property translates to SPR sensors. Different ionic liquids were used to form self-assembled monolayers on a gold surface. IL-SAM were based on mercapto(alkyl chain)n methylimidazolium salts with different alkyl chain (n = 3, 6, 9, 12) and counter anions (Br-, BF4-, PF6-, NTf2-). Kinetic studies of the nonspecific adsorption of bovine serum were carried on SPR sensors with a custom built instrument based on wavelength interrogation SPR on a dove prism. Thereafter, anti-goat IgG selective to human IgG was used as a model for biosensor employing ILs-SAM surface chemistry. Exchange of counter anion of ionic liquids was believed impossible for most hydrophobic counter anions. However, it was observed that ionic liquids immobilized on a gold surface have the ability to exchange their counter anions reversibly, allowing a simple method to modulate their physico-chemical properties. This phenomenon was observed by contact angle technique and by attenuated total reflectance mid-infrared (ATR mid-IR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), surface enhanced raman spectroscopy (SERS) and mass spectrometry (MS). Better understanding of the anion exchange properties is crucial in predicting the behaviour of IL-SAM in presence of biological buffers and fluids.

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet. / This thesis characterizes the optical properties of microstructured plasmonic materials and evaluates analytical parameters to use them as biosensing platforms in surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. At microscopic dimensions, plasmonic materials present optical characteristics unique to nano- and macromaterials. A SPR physico-optic mapping of meso- and microscopic materials was performed using structured films with triangular and circular periodic patterns fabricate by modified nanosphere lithography (NSL) technique. From this overview, a few structured films were selected based on analytical aspects such as sensitivity and resolution with respect to the refractive index (RI) to determine the potential of these materials as biosensing platforms. The distinct plasmonic properties of microstructured films emerge from resonant interactions between localized and propagating surface plasmons (SP) modes identified by the SPR dispersion relation and by Raman imaging. The conditions of SP modes resonant interactions depend on experimental parameters (λ, θ, η) as observed numerically in rigorous coupled wave analysis (RCWA) and empirically. These works show the distinct plasmonic nature of micromaterials and their potential integration to existing SPR techniques. Plasmonic micromaterials were also studied for the implementation of SPR to an atomic force microscopy (AFM) cantilever, hence combining spectroscopy to topographic imaging. Preliminanry works were focused on the spectroscopic response of silicon (Si) and silicon nitride (Si3N4) cantilever, the impact of gold coating on the cantilever is tip, and the influence of the adjacent environment. An image of plasmonic nature was obtained in transmission spectroscopy with gold coated Si3N4 cantilever in water environment, thus indicating the potential of these cantilevers as micro-SPR sensing probes. These preliminary results provide a basis to guide future investigations in this project.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Surface plasmon polaritons are non radiative modes which exist at the interface between a dielectric and a metal. They can confine light at sub-wavelength scales. However, their propagation is restricted by the intrinsic losses of the metal which imply a rapid absorption of the mode. The aim of this thesis is the study of the coupling of surface plasmons in metallo-dielectric planar structures. Obtaining the properties of the modes implies the extension of the solutions to the complex plane of propagation constants. The method used consists in determining the poles of the scattering matrix by means of Cauchy's integrals. The first solution to solve the problem of propagation of the surface plasmons consists in coupling these modes to one another. In a symmetric medium, when the thickness of the metallic film becomes thin enough, the coupling between the plasmon modes which exist on each side becomes possible. One of the coupled modes which is created, the so-called long range surface plasmon, has a bigger propagation length than the usual plasmon whereas the other coupled mode, named short range surface plasmon, has a smaller propagation length. We present a configuration which allows the excitation of the long range surface plasmon without the short range mode with a metallic layer deposited on a perfect electric conductor substrate. This excitation can be done in air and allows applications, such as the detection and the characterisation of molecules. Then, we present the coupling between dielectric waveguides, and, in particular, the coupled-mode theory in the case of the transverse magnetic polarisation. We consider also the case of PT symmetric structure. The last part of this work presents the demonstration of the strong coupling regime between a surface plasmon and a guided mode. We demonstrate an increase of the propagation length of the hybrid surface plasmon, which still has the confinement of a surface mode. A linear gain is added in the different layers of the structure. When the gain is added in the layer between both coupled modes allows an enhancement of the propagation lengths of the modes, and more precisely of the hybrid surface plasmon mode, which can propagate at the millimeter scale.

This thesis mainly deals with the development of photochemical approaches to immobilize carbohydrates on surfaces for glycobiological studies. These approaches have been incorporated into a number of state-of-the-art nanobio-platforms, including carbohydrate microarrays, surface plasmon resonance (SPR), quartz crystal microbalance (QCM), atomic force microscopy (AFM), and glyconanomaterials. All the surfaces have displayed good binding capabilities and selectivities after functionalization with carbohydrates, and a range of important data have been obtained concerning surface characteristics and carbohydrate-protein interactions, based on the platforms established. Besides, a variety of non-carbohydrate and carbohydrate-based molecules have been synthesized, during which process the mutarotation of 1-glycosyl thiols and the stereocontrol in 1-S-glycosylation reactions have been thoroughly studied. / QC 20111004

HIV-1 has evolved with a great deal of functional complexity contained within a very small genome by encoding small, but critical viral proteins within larger viral genes and dividing the replication cycle into early and late phases to differentially produce all proteins leading to efficient replication and virion release. Early replication is restricted by the host spliceosome that processes HIV-1 vRNA transcripts so only the small intragenomic proteins are produced, one of which is Rev (Regulator of Virion Expression). Rev in turn governs the transition from early to late replication by interacting with a highly structured region of vRNA termed the Rev Response Element (RRE). The binding of Rev to the RRE is believed to cause a change in the vRNA tertiary structure and inhibition of splicing of the vRNA. Once, a Rev:RRE complex is formed, a nuclear export signal within Rev facilitates the export of partially spliced and unspliced vRNA to the cytoplasm. During late replication the partially spliced and unspliced vRNA is translated to polyproteins and is packaged into a budding virion where the viral aspartyl protease (HIV-1 PR) autocatalytically excises itself from the larger polyprotein and processes the remaining polyproteins to release all viral structural and functional proteins to form a mature and infectious virion. Since the vRNA salvaged by Rev is translated to the polyproteins containing HIV-1 PR, the inhibition of Rev function will reduce the amount of HIV-1 PR available and thereby reduce the amount of HIV-1 PR therapeutics required to elicit a clinical effect. Therfore a combination approach to HIV-1 treatment using suitably developed therapeutics that inhibit Rev and HIV-1 PR function represents an attractive synergistic approach to treating HIV-1 infection in vivo. The work of this thesis was divided into two parts, the first part was concerned with HIV-1 PR structural biology and addressing problems encountered with inhibitor design. A bicyclic peptide (based on inhibitors of analogous structure) was co-crystallised with active HIV-1 PR to develop an enzyme-product (E-P) complex and with a catalytically inactive mutant HIV-1 PR to provide an analogy to the enzyme-substrate (E-S) complex. Both structures of the E-P and E-S complexes were solved to 1.6Å resolution and were compared to a hydroxyethylamine isostere enzyme-inhibitor complex (E-I), highlighting the similarity of binding mode for all ligands. The inhibitor in the E-I complex was translated towards the S1 - S3 pockets of the substrate binding cleft relative to the substrate in the E-S complex due to the increased length of the hydroxylethylamine isostere compared to the peptide backbone, although the inhibitor "puckered" the isostere linkage and maintains a binding mode similar to the substrate with very little overall differences in the position of the ligands and surrounding protein. The similarity of the E-S, E-I and E-P complexes was attributed to the macrocyclic ligands ordering the surrounding protein environment, especially the protein -strand "flap" structures that form a roof over the ligands in the active site but were not found to close more tightly in any of the trapped catalytic states. The new structures allowed refinement of details of the mechanism of peptide hydrolysis. The mechanism relies on the optimal nucleophilic attack of a water molecule on the scissile amide bond with concerted acid-base catalysis of the active site aspartyl residues intitiated by D125. The alignment and intrinsic position of the N-terminus of the bicyclic substrate was interpreted as being critical to facilitate efficient electron transfer with the bicyclic substrate. An N-terminal cyclic inhibitor, similar to the N-terminal portion of the bicyclic substrate, was used to address a major problem in HIV-1 PR drug design termed "cooperativity," where the sequential optimisation of an inhibitor (or substrate) to individual pockets of the substrate binding cleft, can negatively impact on adjacent and downfield subsites and thereby alter the binding mode of the "optimised" inhibitor. The technique referred to here as "templating" uses the N-terminal cycle to lock the binding mode into a known conformation, probing the S1' and S2' pockets. The structure activity relationship suggested that by viewing the S1' - S3' pockets as a single trough, bulky aromatic groups attached to an N-alkyl sulfonamide could be directed along the line of the trough without adverse interactions with the tops of the S1' and S3' pockets, providing very potent inhibitors. It was also found that specificity and potency of an inhibitor can be maintained with smaller functionalities that carry their bulk low and close to the inhibitor backbone in the S2' pocket, making the P2 functionalities more substrate-like. The second part of the thesis was concerned with establishing suitable surface plasmon resonance assays for testing potential inhibitors of Rev function. Recombinant Rev and its minimal RNA aptamer target (stem loop II of the RRE termed RBE3), were expressed, purified, and used to develop BIAcore-based assays and test potential inhibitors of their interaction. The system was applied to screening of aminoglycoside antibiotics and other small molecules in a competitive assay, and also to quantitative assay of Neomycin and moderate sized analytes: Rev and three peptidic analogues of the high-affinity binding site of Rev - the native peptide, succinylated form of the peptide and a form incorporating a novel helix-inducing cap. The peptide and protein assay was undertaken to test the proposition that helix induction of the high-affinity binding site of Rev can increase affinity for the biologically important RNA target and thereby form the basis of a new class of inhibitors. The screen of small molecule antagonists found that Neomycin was the best inhibitor of the Rev:RBE3 interaction and that efficacy of other aminoglycosides was due to the neamine-base structure presenting charge to bind to the RNA and blocking interaction with Rev. The quantitative assay was optimised to reduce non-specific interactions of Rev protein to allow reliable studies of the analytes with RBE3 by the sytematic testing of buffers and modifiers. It was found that mutliple analytes bound to the RBE3 aptamer and a comparison of the KD values found that the native and capped peptides had similar affinity for RBE3 RNA (native slightly greater at 21 ± 7nM cf capped 41 ± 10nM) that was greater than the Rev protein (101 ± 19nM), however the succinylated peptide exhibited stronger binding with a KD ≤8nM and Neomycin had the lowest affinity (KD 13 ± 3M). The similarity of the native and capped peptides may be due to the high concentration of salt in the assay buffers and was necessary for the stability of the Rev protein, but is sufficient to influence secondary structure of the peptides. Therefore, it could not be stated that the helix-inducing cap increased the affinity of the native peptide for the biologically important therapeutic target. The work conducted in this thesis firmly establishes foundations for the continued development of inhibitors against both Rev and HIV-1 PR that play key roles in the HIV-1 replication strategy. It is envisaged this work could lead to a novel synergistic therapeutic approach to treating HIV-1 infection.

La lectine de Helix pomatia (HPA), extraite de la glande à albumine de l'escargot de Bourgogne et spécifique du résidu GalNAc, appartient à une nouvelle famille de lectine dite de type H. Elle est utilisée depuis plus de vingt ans comme marqueur d'adénocarcinomes (notamment du sein, du colon, du poumon) à fort pouvoir métastatique et donc faible pronostic vital. Son utilisation comme outil de routine en oncologie est, cependant, fortement limitée par son impossibilité à la produire sous forme recombinante. Afin de contourner ces difficultés, des protéines homologues ont été recherchées chez d'autres invertébrés. Deux lectines de type H ont été identifiées chez l'amibe Dictyostelium discoideum (discoidines) et une chez le corail Sinularia lochmodes (SLL-2). Les discoidines sont composées de deux domaines distincts, un domaine C-terminal, spécifique des résidus galactosylés et homologue à HPA et un domaine N-terminal, dit domaine discoidine, de fonction inconnue. Ces travaux de thèse portent, dans un premier temps, sur la poursuite de la caractérisation structurale de la discoidine 1 puis sur la production du domaine N-terminal de la discoidine 2 afin de confirmer la fonction lectine supposée. Dans un second temps, des expériences de microscopie confocale ont montrés que les discoidines ne possédaient pas la capacité d'HPA dans la discrimination des cellules métastatiques par rapport aux non métastatiques. La construction, par mutagenèse, d'une protéine chimérique entre la discoidine 2, très facilement produite dans E. coli, et HPA a alors été entreprise, le but étant de lui apporter la même spécificité qu'HPA. Enfin, la protéine SSL-2 a été clonée et de nombreux essais d'expression sous forme soluble et de purification ont été réalisés en vue de sa caractérisation biochimique et structurale pour sa possibilité d'utilisation comme marqueurs en histopathologie / The lectin of Helix pomatia (HPA), extracted from the albumin gland of the Roman snail and specific for the residue GalNAc, belongs to a new H type lectin family. It is used for twenty years as marker for metastatic adenocarcinoma (in particular breast, colon, lung) associated with poor life prognostic. Nevertheless, its use as routine tool in oncology is highly limited because of its incapability to produce it in a recombinant form. To avoid these difficulties, homologous proteins were searched in others invertebrates. Two H type lectins have been identified in the amiboe Dictyostelium discoideum (discoidins) and one in the coral Sinularia lochmodes (SLL-2). Discoidins are composed of two distinct domains, a C-terminal domain, specific for galactosylated residues and homologuous to HPA and an N-terminal domain, called discoidin domain, with unknown function. This thesis is focused, in a first time, on the continuation of structural characterization of discoidin 1 and on the production of the N-terminal domain of discoidin 2 to confirm the supposed lectin function. In a second time, confocal microscopy experiments showed that discoidins was not able to discriminate metastatic cancer cells to non metastatic ones, as HPA does. The construction, by mutagenesis, of a chimeric protein between discoidin 2, easily produced in E. coli, and HPA, began. The purpose was to give the same specificity as HPA. Last, SLL-2 was cloned and numerous expression assays, in a soluble form, and purification was tried to characterize the protein biochemistrycally and structurally. The aim was to test it as marker in histopathology.

Les anticorps anti-HLA d’isotype IgG sont une cause de perte de greffon en transplantation d’organes.Les tests « single antigen » (SAFB) sont les outils les plus précis et sensibles pour l’identification desanticorps anti-HLA dirigés contre le donneur (DSA) dans le sérum des receveurs. Leur résultat semiquantitatif,la MFI, n’est pas parfaitement associé à l’issue clinique, ce qui pourrait être dû à plusieursraisons. Premièrement, nous avons montré que les SAFB de classe I détectent fréquemment des anticorpsanti-HLA dénaturé de classe I, incapables de se lier à la surface cellulaire et donc n’ayant pas designification clinique, alors qu’ils ont un impact négatif sur l’accès à la transplantation. Leuridentification a été réalisée par un traitement acide des billes et par un SAFB modifié, les iBeads®.Ces deux tests montraient de bonnes fiabilité et concordance, mais le traitement acide pouvait parfoisêtre mis en défaut alors que les iBeads® auraient une sensibilité légèrement inférieure aux SAFBclassiques. Deuxièmement, nous avons déchiffré l’interférence liée au complément : les IgG anti-HLA de forte MFIsont capables d’activer le complément à la surface des billes, conduisant à une accumulation desproduits de dégradation du C4 et du C3, capables de réduire la détection des IgG anti-HLA. Nousavons également démontré que les IgM anti-HLA étaient capables d’interférer avec la détection desIgG à travers une compétition pour l’épitope, un encombrement stérique et une activation ducomplément. Troisièmement, nous avons montré que la détection des DSA avec les SAFB dans les éluats debiopsies de poumons transplantés, preuve formelle que ces DSA interagissent avec le greffon,constituait un facteur de risque de perte du greffon. Nous avons également développé un système decapture en résonance plasmonique de surface permettant de déterminer la concentration et l’affinitédes anticorps anti-HLA, ce qui pourrait permettre d’étudier la façon dont les DSA interagissent avec legreffon. / IgG HLA antibodies are a cause of graft loss in organ transplantation. The single antigen flow beadsassays (SAFB) are the most precise and sensitive assays to identify donor specific HLA antibodies(DSA) in recipient’s sera. Their semi-quantitative readout, the mean fluorescence intensity (MFI), is notperfectly associated with graft outcomes, which could be due to several factors.Firstly, we showed that class I SAFB frequently detects denatured class I HLA antibodies which areunable to bind cell surface and then are clinically irrelevant, while they actually impact the access to atransplant. Their identification was performed through SAFB acid-treatment and a modified SAFBassay, the iBeads®. They had a high reliability and a good concordance, but the acid-treatment assaycan be put at fault in a few cases whereas iBeads® appeared slightly less sensitive than classicalSAFB. Secondly, we deciphered the complement interference phenomenon: high MFI level IgG HLAantibodies activate the complement cascade at bead surface, leading to the deposition of C4 and C3degradation products which are able to reduce IgG HLA antibodies detection. We also demonstratedthat IgM HLA antibodies interfere with IgG detection through competition for the epitope, allosterichindrance and complement activation. Thirdly, we demonstrated that the detection of DSA with SAFB in lung biopsy eluates, proving that theDSA interact with the graft, was a risk factor for graft loss. We further developed a capture system insurface plasmon resonance allowing the concentration and affinity of HLA antibodies to bedetermined, which could allow the way that the DSA interact with the graft to be studied.