Tesi sul tema "In-Situ microscopie de fluorescence"

La microscopie SEEC (Surface Enhanced Ellipsometric Contrast) est une technique inventée au mans, il y a une dizaine d’années. Elle permet de visualiser des objets de taille nanoscopique entre polariseur et analyseur croisés en utilisant les propriétés non dépolarisantes de surfaces multicouches. Jusqu’au début de la thèse, seules des observations à l’air étaient possibles. Le but de cette thèse a consisté à adapter cette technique à l’observation in-situ d’objets en immersion dans l’eau.Pour cela, il a fallu inventer de nouvelles surfaces propres à ce nouveau milieu. Les calculs ont montrés que des surfaces fines d’or révélaient un bon contraste pour des objets de 1 nm en immersion dans l’eau. Expérimentalement, nous avons montré que pour exploiter au maximum le contraste SEEC, il est nécessaire de modifier l’éclairage. En parallèle de ces travaux expérimentaux, de nouveaux calculs ont montrés que l’utilisation d’épaisseurs encore plus fines permettait de visualiser ces objets avec un bon contraste et sans aucune modification de l’éclairage. Nous avons appelé cette nouvelle technique : la microscopie CONE. Nous avons découvert deux modes de mesure. Après avoir réalisé des fonctionnalisations homogènes et hétérogènes des surfaces d’or. Ces surfaces ont été utilisées en résonance plasmonique de surface (SPR) pour l’étude de fixation de protéine (adsorption et immobilisation) puis d’interaction protéine/protéine. Ces expériences ont ensuite servies de référence pour évaluer les microscopies SEEC et CONE. Par cela, nous avons prouvé que ces microscopies présentent de forts intérêts pour la détection in-situ de protéines avec un faible coût
This thesis was supported by National Agency for Research with the project: ANR PNANO-07 SEEC. The Surface Enhanced Ellipsometric Contrast (SEEC) microscopy has invented in 2000 at Le Mans (France). This technique allows the visualization of nanoscopic object between crossed analyzer and polarizer. It’s possible if some special multilayer surfaces are used. There surfaces must have the particularity to not change the polarization of light during the reflection. Until the beginning of the project the SEEC microscopy was useful only for air observations. The goal of the thesis was to adapt this technique to observe on gold surfaces immerged in water and to compare the performance of the SEEC microscopy with Surface Plasmonique Resonance (SPR) in that configuration. The SPR is a biomolecular interaction study reference technique. SEEC microscopy lateral resolution was evaluate by fluorescence microscopy. Next, we realize two model experiments monitor in parallel by SEEC microscopy and by SPR: BSA immobilization and biotinylated IgG fixation by immobilized streptavidine. To compare measurements efficiently we did a huge preparation work (surface functionalizations and microfluidic) to have exactly same conditions in both techniques.Our results show SEEC microscopy cannot replace SPR for biomolecular interaction studies but it can be used as cheap immunological diagnostic technique. This work gives the path to follow on that direction

Les biopiles enzymatiques, qui utilisent des enzymes pour convertir l'énergie chimique en électricité, se présentent comme l'une des ressources énergétiques alternatives et propres les plus prometteuses. Cependant, l'immobilisation fonctionnelle de ces enzymes sur une électrode pour une catalyse efficace suscite encore de nombreux défis. Afin d’accéder à des informations résolues dans l'espace, il est nécessaire de coupler l'électrochimie à d’autres techniques de surface. Dans cette thèse, la microscopie de fluorescence confocale à balayage laser a été couplée à l'électrochimie pour la caractérisation de la catalyse électro-enzymatique. La principale réaction étudiée était la réaction de réduction de l'oxygène catalysée par la bilirubine oxydase de Myrothecium verrucaria. Cette réaction implique une consommation de protons couplée au transfert d'électrons. En utilisant une analyse in situ, les variations locales de pH qui se produisent à proximité de la bioélectrode pendant la catalyse enzymatique sont visualisées grâce à un fluorophore dont l’émission dépend du pH, la fluorescéine. L'activité de l'enzyme a d’abord été sondée par spectroscopie UV-vis et électrochimie. Nous avons ensuite montré que l'intensité de la fluorescence enregistrée est directement proportionnelle au courant catalytique. Les profils d'appauvrissement en protons à l’interface électrochimique dans des électrolytes tamponnés et non tamponnés ont été reconstruits, afin de déterminer l'influence de la force ionique sur l'environnement local des enzymes. Enfin, les enzymes ont été marquées avec des fluorophores, permettant de révéler les hétérogénéités locales de leur distribution interfaciale
Enzyme biofuel cells, which use enzymes to convert chemical energy into electricity, hold promise as one of the most promising alternative and clean energy resources. However, the immobilization of such enzymes on an electrode for efficient catalysis still raises many challenges. In order to access spatially resolved information, it is necessary to couple electrochemistry to other surface techniques. In this thesis, confocal laser scanning fluorescence microscopy was coupled with electrochemistry for the characterization of electro-enzymatic catalysis. The main reaction studied was the oxygen reduction reaction catalyzed by bilirubin oxidase from Myrothecium verrucaria. This reaction involves a consumption of protons coupled with electron transfer. Using in situ analysis, the local pH variations that occur near the bioelectrode during the enzymatic catalysis are visualized thanks to a fluorophore whose emission depends on the pH, fluorescein. The activity of the enzyme was first probed by UV-vis spectroscopy and electrochemistry. We then showed that the intensity of the fluorescence recorded is directly proportional to the catalytic current. Profiles of proton depletion at the electrochemical interface in buffered and unbuffered electrolytes were reconstructed to determine the influence of ionic strength on the local environment of enzymes. Finally, the enzymes were labeled with fluorophores, making it possible to reveal the local heterogeneities of their interfacial distribution

La microscopie optique est une technique essentielle pour de nombreuses disciplines des sciences expérimentales qui nécessitent des résolutions sans cesse plus petites. Dans ce travail de thèse sont présentés plusieurs travaux pour l'amélioration de la résolution en microscopie de fluorescence et en microscopie tomographique par diffraction (MTD), une récente technique de microscopie de phase. Dans un premier temps, il est montré que déposer l'échantillon sur un miroir permet d'augmenter la résolution axiale en MTD et en microscopie confocale de fluorescence. En microscopie confocale, il faut pour cela mettre en forme le faisceau incident grâce à un modulateur spatial de lumière. En MTD, il suffit d'adapter le programme de reconstruction. La deuxième partie présente des algorithmes pour reconstruire des images haute résolution à partir de mesures en éclairement structuré avec de champs d'illumination inconnus, à la fois en microscopie de fluorescence (algorithme blind-SIM) et en MTD. En microscopie de fluorescence, ces algorithmes permettent de simplifier drastiquement les montages expérimentaux produisant l'éclairement structuré et en MTD, d'obtenir des images d'échantillons à fort indice.

La spectroscopie de molécule unique joue aujourd’hui un rôle majeur dans de nombreux domaines allant de la physique fondamentale à la biologie. Dans ce contexte, mes travaux ont conduit au développement théorique et instrumental de deux méthodes d’investigation orientées vers la biologie. La première visait à caractériser la dynamique de complexation du calcium par la sonde calcique fluorescente Oregon Green Bapta5N communément employée pour l’analyse des signaux intracellulaires. Pour y parvenir, nous avons développé un dispositif expérimental de spectroscopie de corrélation de fluorescence à un et deux photons présentant une sensibilité proche de la molécule unique. Grace à ce dernier, nous avons pu étudier plusieurs aspects de la photophysique de la sonde et avons évalué ses limites ainsi que l’intérêt de l’appliquer in vivo. La seconde a consisté à développer une technique d’Hybridation In-Situ de Fluorescence (FISH) semi-quantitative afin de cartographier l’expression de gènes dans le cerveau de drosophiles adultes. Nous avons surmonté deux difficultés majeures, en obtenant, pour la première fois, des résultats reproductibles et semi-quantitatifs chez la drosophile adulte. Je présente ici une nouvelle approche où l’amplification enzymatique a été remplacée par une détection optimisée et un protocole réduisant l’impact de l’autofluorescence. Des résultats sur divers gènes exprimés dans le cerveau des drosophiles adultes y sont exposés au même titre qu’une étude visant à mieux comprendre une pathologie de retard mental. Pour conclure, j’ai mis en évidence la capacité de notre technique à résoudre des sondes uniques ce qui ouvre la voie vers de nouvelles applications
Single-molecule-like spectroscopy plays a major role in many domains, from fundamental physics to biology. In this framework, my dissertation focuses on instrumental and theoretical developments of two biological-related applications. The first experiment aims at characterizing the dynamics of calcium binding by the fluorescent calcium probe Oregon-green Bapta5N commonly employed in cell signaling analysis. To achieve it, I have developed an experimental set-up of fluorescence correlation spectroscopy that exhibits sensitivity close to that of single-molecule detection. Either monophotonic or biphotonic excitations can be used. I have investigated the several aspects of the photophysics of the probe and evaluated the interest and limitations of such an approach for future in-vivo measurements. The second one is devoted to the development of a semi-quantitative Fluorescent In-Situ Hybridization (FISH) technique for mapping gene expression in the adult drosophila brain. Two difficulties have to be solved. First, we succeeded in obtaining reproducible results with drosophila adult brain. Secondly, while most of the FISH protocols are not quantitative since they need a strong enzymatic, we achieved semi-quantitative detection of RNA probes. I will present results on a new approach for which enzymatic detection is replaced by a sensitive detection and a protocol which reduces autofluorescence contribution. Results will be presented for several genes in adult drosophila brain to validate the methods as well as an interesting application on a mental retardation disease. To conclude, I show that the method exhibits a single RNA sensitivity which opens the way to new applications

De nombreuses réactions enzymatiques sont à l’origine de processus physiologiques au sein des organismes vivants. Ces réactions sont basées sur des transferts de protons et d’électrons et con-duisent souvent à la production d’espèces secondaires. Parmi elles, les espèces réactives de l’oxygène et de l’azote (ROS, RNS) présentent un intérêt particulier puisqu’elles jouent un double rôle : d’une part en permettant à l’organisme de réagir à un stress par l’activation de voie de signalisation redox, et d’autre part ces ROS et RNS peuvent causer des dommages tissulaires et être à l’origine de dys-fonctionnement (stress oxydant) au sein de l’organisme. La haute réactivité de ces espèces induit leurs faibles durées de vie (ns-min) et rend l’étude de certaines réactions enzymatiques difficiles en solu-tion. Ce projet de thèse a pour objectif de développer un microréacteur biomimétique pour l’étude d’activités enzymatiques produisant des ROS/RNS. En effet, en confinant une réaction au sein d’un compartiment de taille équivalente à celle d’une cellule (20-100 μm de diamètre), les espèces générées (H2O2, NO•, NO2-) doivent pouvoir être sondées in situ avec une résolution cinétique et quantitative. Des vésicules unilamellaires géantes sont formées en conditions physiologiques et servent de micro-réacteurs pour l’analyse des activités enzymatiques de la glucose oxydase et des NO-synthases. La microscopie de fluorescence permet l’observation des vésicules et le suivi du déclenchement de la réaction assuré par microinjection. Les espèces produites sont ensuite détectées en temps réel par électrochimie afin de déchiffrer à terme les différentes voies enzymatiques des NO-Synthases
Enzymatic reactions are involved in many physiological phenomena in living organisms. These reactions are based on protons and electrons transfers and can lead to the production of by-products. Among them, reactive oxygen and nitrogen species (ROS and RNS) are of great interest as they play a double role: on the one hand by allowing the organism to react to a stress by the activation of signaling redox pathways, and on the other hand, ROS and RNS can cause oxidative damages to tissues ensuing dysfunctions in the organism. The high reactivity of such species induce their short lifetimes (ns-min) and leads to uncertainties when it comes to the study of some enzymatic reactions in bulk. This PhD project aims to develop a biomimetic microreactor for the study of enzymatic ac-tivities producing ROS/RNS. Indeed, by confining a reaction within a cell-sized compartment (20-100 μm diameter), the generated species (H2O2, NO•, NO2-) could be analyzed in situ with a quantita-tive and kinetic resolution. Giant unilamellar vesicles are formed in physiological conditions and are used as microreactors for the monitoring of enzymatic activities of glucose oxidase and NO-synthases. Fluorescence microscopy allows individual vesicle observation and the monitoring of reactions trig-gered by microinjection. Then, released species are detected in real-time by electrochemistry in order to decipher the diverse enzymatic pathways of NO-Synthases

Pour analyser la structure et la dynamique des échantillons, la biologie cellulaire repose sur l'utilisation d'outils d'imagerie. En particulier, la microscopie de fluorescence offre une grande spécificité et une toxicité réduite. L'émergence récente des méthodes de super-résolution a permis d'outrepasser la limite de diffraction et ouvert de nouvelles perspectives d'études. Les stratégies de molécule unique sont particulièrement adaptées à l'imagerie nanométrique tridimensionnelle, et permettent de nombreux couplages avec des modalités complémentaires ; toutefois, leur manque de reproductibilité entrave leur généralisation.Nous proposons ici de nouvelles méthodes dans le but de remédier à ces problèmes en facilitant leur application en biologie cellulaire, en chimie et en science des matériaux. Tout d'abord, nous présentons des protocoles et échantillons dédiés aux acquisitions de calibration et de mesure de performances. Nous décrivons également plusieurs exemples d'utilisation de super-localisation tridimensionnelle dans le cadre d'études d'adhésion cellulaire et de résistance bactérienne.Ensuite, nous nous concentrons au développement d'une nouvelle méthode de microscopie de localisation de molécules uniques tri-dimensionnelle permettant l'élimination de biais de détection. Ceci est permis par le couplage entre deux stratégies complémentaires: la mise en forme de fonction d'étalement de point, et la détection de la fluorescence d'angle super-critique. L'intercorrélation et la recombinaison des informations latérales et axiales permet l'obtention d'une résolution quasi-isotrope, avec des précisions jusqu'à 15 nanomètres sur une plage de capture d'un micron. Nous mettons en évidence l'insensibilité de la méthode aux biais d'imagerie comme la dérive axiale, l'aberration chromatique et l'inclinaison de l'échantillon, et nous l'illustrons à travers des applications à la neurobiologie et au marquage de bactéries.Pour finir, nous présentons deux nouvelles approches pour le découplage d'acquisitions multi-espèces simultanées. Toutes deux basées entièrement sur le post-traitement des données acquises, elles exploitent respectivement la mesure des tailles des taches et le comportement dynamique du clignotement. Après une preuve de principe, nous évaluons l'impact des différents paramètres susceptibles d'influencer les résultats. Nous concluons en proposant des pistes d'amélioration des performances de découplage, et en suggérant de possibles couplages avec des méthodes complémentaires en imagerie de molécules uniques
Cell biology relies on imaging tools to provide structural and dynamic information about samples. Among them, fluorescence microscopy offers a compromise between high specificity and low toxicity. Recently, super-resolution methods overcame the diffraction barrier to unlock new fields of investigation. Single molecule approaches prove especially useful for three-dimensional nanoscale imaging, and allow couplings between different detection modalities. Still, their use is hindered by the complexity of the methods as well as the lack of reproducibility between experiments.We propose new methods to render super-localisation microscopy more easily applicable to relevant studies in cell biology, chemistry and material science. First, we introduce dedicated protocols and samples to eliminate sources of error in calibration and performance measurement acquisitions. We also provide examples of uses of three-dimensional super-localisation for state-of-the-art studies in the frameworks of cell adhesion and bacterial resistance to drugs.Then, we focus on the development of a novel optical method that provides unbiased results in three-dimensional single molecule localisation microscopy. This is achieved through the combination of two complementary axial detection strategies: point spread function shaping on the one hand, and supercritical angle fluorescence detection on the other hand. By cross-correlating and merging the lateral and axial positions provided by the different sources, we achieve quasi-isotropic localisation precisions down to 15 nanometres over a 1-micrometre capture range. We demonstrate the insensibility of the method to imaging non-idealities such as axial drift, chromatic aberration and sample tilt, and we propose applications in neurobiology and bacteria labelling.Finally, we introduce two new post-processing approaches for the demixing of simultaneous multi-species acquisitions. They are based respectively on the measurement of the spot sizes, and on the assessment of the dynamic blinking behaviour of molecules. After demonstrating a proof of principle, we assess the impact of the different parameters likely to influence the results. Eventually, we discuss leads to improve the demixing performances, and we discuss the coupling possibilities with complementary single molecule localisation techniques

Les techniques de super-résolution offrent un nouvel aperçu de la description de l'organisation moléculaire dynamique de la membrane plasmique. Parmi ces techniques, la microscopie par déplétion d'émission stimulée (stimulated emission depletion, STED) dépasse la limite de diffraction optique et atteint une résolution de quelques dizaines de nanomètres. Il est une technique polyvalente qui peut être combinée avec d'autres techniques telles que la spectroscopie par corrélation de fluorescence (fluorescence correlation spectroscopy, FCS), fournissant des résolutions spatiales et temporelles élevées pour explorer les processus dynamiques qui se produisent dans les cellules vivantes. Ce projet de doctorat vise à mettre en œuvre un microscope STED, puis à combiner ce module STED avec la technique FCS pour les applications biologiques. Des études théoriques du STED et de la technique combinant STED et FCS ont permis dans les aspects spatio-temporels. Une solution analytique pour la fonction d'autocorrélation FCS a été dérivée dans l'état de déplétion STED incomplet. et un nouveau modèle d'ajustement FCS a été proposé. La méthode de variation du volume d’observation FCS (spot variation FCS, svFCS) a démontré sa capacité à identifier la présence de nanodomaines limitant la diffusion latérale des molécules dans la membrane plasmique. L’approche STED-FCS permet d’étendre l’application de la svFCS à l'échelle nanométrique afin d’évaluer la persistance plus ou moins importante de tels nanodomaines. Dans ce contexte, des simulations préliminaires de Monte Carlo ont été réalisées figurant des molécules diffusant en présence d'auto-assemblage/désassemblage dynamique des nanodomaines
Super-resolution techniques offer new insight into the description of the dynamic molecular organization at the plasma membrane. Among these techniques, the stimulated emission depletion (STED) microscopy breaks the optical diffraction limit and reaches the resolution of tens of nanometer. It is a versatile setup that can be combined with other techniques such as fluorescence correlation spectroscopy (FCS), providing both high spatial and temporal resolutions to explore dynamic processes occurring in live cells. This PhD project aims at implementing a STED microscope, and then at combining this STED module with FCS technique for biological applications. Detailed theoretical studies on STED and the combined STED-FCS technique in spatio-temporal aspects were performed. An analytical solution for FCS autocorrelation function was derived in the condition of incomplete STED depletion and a new FCS fitting model was proposed to overcome this problem. The spot variation FCS (svFCS) method has demonstrated its capability to identify the presence of nanodomains constraining the lateral diffusion of molecules at the plasma membrane. The STED-FCS can extend the svFCS approach to the nanoscale evaluating the long-lasting existence of such nanodomains. Within this frame, preliminary Monte Carlo simulations were conducted mimicking molecules diffusing in the presence of dynamic self-assembling/disassembling nanodomains

L’objectif de cette thèse a été axé sur le développement des systèmes capable de répondre à des stimuli externes, basés sur des unités photochromiques. Le but d’une telle quête est d’augmenter la complexité des dispositifs et des machines moléculaires synthétiques. Avec l’objectif de développer des dispositifs et des machines artificiels plus complexes, nous avons réalisé de systèmes comprenant de multiples interrupteurs moléculaires. En vue de la réalisation de cette thèse, des nouveaux systèmes multi-photochromiques, où hybrides photochrome/nanomatériaux contenant des fragments azobenzène, diaryléthène ou spiropyrane ont été réalisés et étudiés. D’abord, on s’est focalisés sur des systèmes multi-azobenzènes capables de subir de grands réarrangements géométriques lors de la photoisomérisation, ils pourraient être utilisés à l'avenir comme éléments constitutifs des matériaux host-guest ou metal-organic frameworks contrôlables par des stimuli lumineux. Dans un second exemple, des commutateurs photochromiques de type dithiényléthène ont été utilisés pour déclencher l'émission d'une porphyrine. Cette dyade à montré une modulation réversible de son émission, affichant un contraste particulièrement élevé. Comme dernier exemple, un dérivé de spiropyrane a été combiné avec des nanoparticules d’or anisotropes. En induisant l'isomérisation de l’interrupteur moléculaire dans les dispersions colloïdales des nanorods d’or en liquide, nous avons visualisé une grande variation du spectre d'extinction des colloïdes, dépendante de la longueur d’onde du mode LSPR et du recouvrement spectrale avec le photoswitch
The aim of this thesis has been to develop systems capable of responding to external stimuli, based on photochromic units. The goal of such a quest is to increase the complexity of devices and synthetic molecular machines. With the goal of developing more complex artificial devices and machines, we have realised systems containing multiple molecular switches. For the realisation of this thesis, new multi-photochromic systems, or photochromes/nanomaterials hybrids containing azobenzene, diarylethene or spiropyran moieties have been realised and studied. Firstly, we focused on multi-azobenzene systems capable of undergoing large geometric rearrangements during photoisomerisation, as they may be used in the future as constituent elements of host-guest or metal-organic frameworks controllable by luminous stimuli. In a second example, dithienylethene-type photochromic switches have been used to trigger the emission of a porphyrin. This dyad exhibited a reversible modulation of its emission, displaying a particularly highly contrasted response. As a final example, a spiropyran derivative has been combined with anisotropic gold nanoparticles. By inducing the isomerisation of the molecular switch in the AuNR colloidal liquid dispersions, we visualised a large variation of the colloid extinction spectrum, dependent on the LSPR mode wavelength and the spectral overlap with the photoswitch

Développer de nouveaux fluorophores ayant une forte section efficace d’absorption à deux photons (ADP) et des propriétés d'émission dans le rouge lointain est important, en particulier pour l’imagerie in-vivo profonde. Cette gamme de longueur d'onde correspond en effet à la fenêtre de transparence optique des tissus. Cette thèse étudie le potentiel de nouveaux fluorophores émettant dans rouge construits sur un noyau fluorène pour la microscopie à deux photons in-vivo, en privilégiant l'imagerie du système vasculaire, d'une part, et la mesure optique de la pression d'oxygène dissous, d'autre part.Ainsi, une famille de chromophores asymétriques a été conçue et synthétisée. La plupart des chromophores présentent une forte émission dans le proche IR, induite par l'agrégation. De plus, une stratégie de co-protection basée sur un système micellaire / silice a été utilisé pour préparer des nanoparticules avec un intérieur apolaire et conserver les propriétés optiques des chromophores dipolaires en solution aqueuse. Des mesures de fluorescence excitée à deux photons ont été menées en solvant organique et en suspension aqueuse. Les agrégats et les nanoparticules ont été utilisés avec succès en imagerie biphotonique du système vasculaire sur petit animal en utilisant un modèle de tumeur à l'intérieur de la peau de l'oreille de la souris. Les nanoparticules de silice montrent une coloration exceptionnelle du système vasculaire qui en fait de parfaits marqueurs du système vasculaire.Dans un deuxième temps, quatre nouveaux chromophores, absorbant à deux photons, ont été synthétisés et leurs propriétés photo physiques à un et à deux photons ont été étudiées. Le chromophore le plus adapté a ensuite été greffé de manière covalente par chimie click, à un complexe de palladium avec un ligand porphyrine, cœur phosphorescent dont l’émission est sensible à la présence d’oxygène. Deux composés contenant quatre ou huit absorbeur à deux photons ont été obtenus et étudiés. Les résultats démontrent que l'incorporation d'un chromophore ADP approprié peut effectivement augmenter les propriétés d’ADP du système, ce qui permet une sensibilité efficace vis-à-vis de l'oxygène
The development of fluorophores with efficient two-photon absorption (TPA) and emission properties in the far red/NIR is important, especially for in depth in-vivo optical imaging as this wavelength range corresponds to the optical transparency window of tissues. This thesis investigates the potential of new red emitting fluorophores containing a fluorene ring for in-vivo two-photon microscopy focusing on vascular imaging on one hand and on oxygen pressure measurement on the other hand.A new series of asymmetrical fluorene-based chromophores were designed and synthesized. Their structure-property relationships were systematically investigated. It was found that most of chromophores exhibit aggregation-induced emission behaviors in the NIR region. In addition, a micelle/silica coprotection strategy was proposed to prepare nanoparticles with a less polar interior, which can be used to conserve optical properties of dipole chromophores in aqueous solution. The two-photon excited fluorescence (TPEF) measurements indicate that they all display obvious TPA activities in organic solvent and aqueous suspension. Both the NIR-emissive aggregates and nanoparticles have been successfully used for TPEF imaging of blood vessels inside mouse ear skin. The silica nanoparticles show outstanding staining of the vascular system making them perfect blood pool markers.On a second part, four new fluorene-based two-photon absorbing chromophores have been synthesized and their one- and two-photon photophysical properties were investigated. The optimum chromophore was successfully attached covalently to an oxygen responsive phosphorescent Pd-porphyrin complex by click chemistry. Two new compounds contain four or eight TPA chromophores donor connected to the phosphorescent core. The result demonstrate that the incorporation of a suitable TPA chromophore can effectively enhance the TPA of the system, allowing efficient sensitivity towards oxygen

Les interactions lumière-matière dans les mileux moléculaires et bio-moléculaires peuvent mener à des processus complexes où les polarisations des champs optiques se couplent aux assemblages de dipoles de transitions moléculaires. La manipulation des polarisations des champs optiques en microscopie de fluorescence peut en particulier donner accès à des modifications fines d'arrangements moléculaires. Dans ce travail de thèse nous introduisons une méthode basée sur la variation continue d'un état de polarisation d'excitation complémentée par une analyse polarisée, appliquée à la microscopie de fluorescence multi-photons. La fluorescence à deux photons polarimétrique permet d'accéder à une information statique quantitative sur la forme et l'orientation de la distribution orientationnelle moléculaire dans des membranes lipidiques artificielles, dans des cellules ou sur des composés molécluaires co-cristallins qui peuvent être fortement hétérogènes. La fluorescence à trois photons polarimétrique apporte de plus un diagnostique de cristallinité dans des cristaux de protéines, avec une forte sensibilité à leur structure et symétrie. L'implémentation expérimentale de cette technique requiert de quantifier les distortions de polarisation provenant du montage expérimental et de l'échantillon lui-même, qui sont finement analysés
Light-matter interaction in molecular and bio-molecular media can lead to complex processes where optical fields polarizations couple to an assembly of molecular transition dipoles. The manipulation of the optical fields polarization in fluorescence microscopy can in particular give access to fine changes occurring in molecular arrangements. In this PhD thesis we report a method based on a tuneable excitation polarization state complemented by a polarized read-out, applied to polarization-resolved multiphoton fluorescence microscopy. Two-photon fluorescence polarimetry allows to retrieve a quantitative information on the static molecular distribution shape and orientation in different environments such as model lipid membranes, cell membranes, and molecular inclusion compounds that can be strongly heterogeneous. Three-photon fluorescence polarimetry has been furthermore applied in bio-molecular media in order to provide a diagnostics for crystallinity in protein crystals with high sensitivity to their structure and symmetry. The experimental implementation of polarimetric multi-photon microscopy requires to quantify possible polarization distortions originating from the experimental set-up or sample itself, which are thoroughly analyzed

Thesis (Ph.D)--Biomedical Engineering, Georgia Institute of Technology, 2010.
Committee Chair: Griffin, Paul; Committee Member: Butera, Robert; Committee Member: Halpern, Michael; Committee Member: Nichols, Richard; Committee Member: Vidakovic, Brani. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.

Bacillus anthracis, l'agent infectieux responsable de la maladie du charbon, est un agent pathogène majeur du risque biologique provoqué, notamment en raison de la sévérité de la forme respiratoire de la maladie. Celle-ci résulte de l'inhalation de spores dont les mécanismes de pénétration au niveau pulmonaire sont mal connus à l'heure actuelle. Cette thèse présente les apports des microscopies confocale et biphotonique à l'étude de ces mécanismes de pénétration des spores inhalées. Le modèle murin CX3CR1+/gfp, dont la sous-population CD11b+ de cellules dendritiques (DCs) exprime constitutivement la protéine de fluorescence verte (GFP), a été utilisé dans ces travaux. Une première partie présente le développement d'une méthode automatisée de discrimination des DCs parmi d'autres populations cellulaires exprimant le même fluorophore, en se basant sur le calcul d'un coefficient morphologique. Cette méthode a permis d'étudier dans un deuxième temps le comportement spécifique de la sous-population de DCs CD11b, après infection par des spores de B. anthracis. L'étude microscopique a été d'abord effectuée in situ, c'est-à-dire sur des explants pulmonaires maintenus dans des conditions favorables à la préservation de l'activité cellulaire, puis in vivo, sur des souris anesthésiées et ventilées. Le protocole d'imagerie tire profit d'une stratégie d'acquisition et de traitement a posteriori des données permettant de surmonter, sans contrainte mécanique appliquée à l'organe, les problèmes de focalisation liés aux mouvements thoraciques durant la ventilation de l'animal. Cette stratégie originale utilise un sur-échantillonnage de l'acquisition et profite du signal de seconde harmonique généré par le collagène comme référence spatiale ; elle a permis l'observation in vivo d'interactions entre DCs et macrophages au niveau pulmonaire. Ces interactions, de type synapse immunologique, sont favorisées par l'infection et présentent donc un rôle fonctionnel qui reste à définir. La formation de synapses immunologiques entre macrophages et DCs pourrait non seulement représenter un chaînon manquant à l'explication de la pénétration des spores de B. anthracis au niveau pulmonaire, mais pourrait aussi constituer un enjeu crucial dans la compréhension de la réponse immunitaire associée aux infections pulmonaires.

Abstract : Current prenatal diagnosis depends on invasive procedures and is thus offered only to high-risk pregnancies. Development of non-invasive prenatal diagnosis (NIPD) would change the risk-benefit ratio and make it likely that more women would benefit from prenatal testing. Scientists have documented the presence of rare fetal cells in maternal blood and envisioned targeting them with specific markers and their use in NIPD. Considering their extremely low frequency in maternal blood, fetal cells have been difficult to retrieve and use in clinical practice. Therefore, there is a pressing need for systematic sequential studies to evaluate their feasibility in NIPD. Generally, detection of rare cells within a large cell population carries great potentialities for the prospects of cancer management and NIPD. Manual scanning is very cumbersome and time-consuming Therefore; the first part of our project was, dedicated to the optimization of an effective strategy to evaluate retrieval of rare cells. We have developed a way of distributing a controlled number of target cells among hundreds of thousands of other cells on microscope slides. This strategy allows the precise evaluation of the retrieval of rare events and the comparizon of the efficacy of different techniques and enrichment approaches by knowing the definite number and locations of target cells on the slides. Furthermore, it allows the evaluation of hybridization of missed events. We have also developed a robust custom-made detection algorithm for rare cells using the MetaSystems automated platform and have used this strategy in the validation of manual and automatic scanning of 60 slides with a pre-defined number of rare male cells among a pure population of female cells using XY-FISH. Consequently, we tested the developed classifier for the detection of real fetal cells from maternal blood in both normal and aneuploid pregnancies with Down syndrome. We further evaluated the number of fetal cells with different methods of enrichments in the first and second trimesters. The data collected confirmed the early presence of fetal cells in all of the pregnancies tested and their frequencies were higher in cases of aneuploidies. Fetal cells are in a state of dynamic change throughout the pregnancy. Higher numbers of these cells can be obtained by optimizing the harvest time and methods of enrichment. We found that automatic scanning is more sensitive and reliable than manual detection. Furthermore, it alleviates the burden of scanning large numbers of cells and thus is more suitable for clinical application. We also demonstrated the feasibility of using rare cells in NIPD. Five microdissected amniotic fetal cells from 26 cases of normal and aneuploid pregnancies were quite enough to provide accurate NIPD through using whole genome amplification coupled with QF-PCR. Our findings laid the ground for the use of rare fetal cells in maternal blood for NIPD. // Résumé : Le diagnostic prénatal résulte encore aujourd’hui de procédures invasives, qui présentent des risques pour la grossesse. Le développement du diagnostic prénatal non-invasif (DPNI) changerait le rapport risque : bénéfice, rendant le diagnostic prénatal plus intéressant pour les femmes enceintes. Plusieurs chercheurs ont montré la présence de cellules fœtales dans le sang maternel et des travaux ont été entrepris afin de les cibler et de les utiliser éventuellement en DPNI. Toutefois, la faible concentration des cellules fœtales dans le sang maternel réduit les possibilités d’isolement ainsi que celles de leur utilisation en clinique. Un autre aspect technique du DPNI, le balayage manuel, est très laborieux, surtout en terme de temps technique. Il y a donc un besoin certain pour des études approfondies afin d’évaluer et d’améliorer la faisabilité du DPNI. La détection d’évènements rares dans une grande population cellulaire offre un potentiel pour le diagnostic en oncologie mais aussi en diagnostic prénatal. Dans cette thèse, la première étude était dédiée à l’optimisation d’une stratégie pour détecter les cellules rares. Nous avons développé une méthode d’étalement sur lame d’un nombre précis de cellules cibles parmi des centaines de milliers de cellules. Cette stratégie a permis d’évaluer le taux de détection d’évènements rares et de comparer l’efficacité des techniques d’enrichissement en connaissant le nombre exact et la localisation de cellules cibles sur les lames. De plus, il a été possible d’évaluer les problèmes d’hybridation des évènements manqués. Nous avons, par la suite, développé un algorithme robuste pour la détection de cellules rares en utilisant la plateforme de microscopie automatisée MetaSystems et utilisé cette approche dans la validation des balayages manuel et automatique d’un nombre précis de cellules mâles parmi une large population de cellules femelles marquées avec la technique FISH. Nous avons testé ce classificateur avec des échantillons de sang de femmes enceintes de grossesses normales et aneuploïdes et évalué la fréquence de cellules fœtales isolées par différentes méthodes d’enrichissement au cours des premier et second trimestres de grossesse. Les données accumulées ont confirmé la présence de cellules fœtales chez toutes les grossesses et leur fréquence plus élevée dans les grossesses aneuploïdes. Le nombre de cellules fœtales est dynamique tout au long de la grossesse. De plus, un nombre plus élevé de cellules fœtales peut être obtenu en optimisant le moment du prélèvement et les méthodes d’enrichissement. De plus, le balayage automatique s’est avéré plus sensible et constant que le balayage manuel, ce qui permet de balayer un grand nombre de cellules et devient plus approprié pour une application clinique. Nous avons aussi montré la faisabilité d’utiliser des cellules fœtales dans le cadre du DPNI. Cinq cellules amniotiques microdisséquées, provenant de grossesses normales et aneuploïdes, ont suffi pour poser un diagnostic prénatal par une combinaison de l’amplification du génome complet et de la technique QF-PCR (réaction quantitative en fluorescence d’amplification entraînée par une polymérase) permettant la détection d’anomalies chromosomiques. Nos résultats ouvrent la voie à l’utilisation de cellules fœtales dans le sang maternel pour le DPNI.

O fungo Pleurotus ostreatus pertence ao grupo de basidiomicetos que degradam madeira. Este cogumelo cultivado em todo mundo apresenta grande rusticidade e produtividade, e pode ainda ser usado em processos de biorremediação e biopolpação. Devido a seu potencial biotecnológico, torna-se interessante a compreensão da interação deste com outros microrganismos. Neste sentido, recentemente foi observada a presença de bactérias associadas a P. ostreatus em culturas in vitro, que apresentavam grande pleomorfismo. A partir desta observação foram elaborados ensaios que visaram a confirmação da presença de bactérias. Para tanto, foi utilizada a estratégia do “Ciclo Completo de Análise do rRNA” (full-cycle rRNA analysis) empregada em microrganismos não cultiváveis ou de crescimento fastidioso, além do emprego de técnicas de microbiologia básica, e de estudos de ultraestrutura. Os estudos de microbiologia básica indicaram que se tratava de um microrganismo fastidioso e que se desenvolvia melhor na presença do fungo em sistema de co-cultivo em meios contendo Tween 80 ou Tween 20. Por sua vez, a análise de ultraestrutura demonstrou a presença de estruturas pleomórficas, tanto internamente como externamente à hifa. Em relação ao “Ciclo completo de Análise do rRNA” este se iniciou pela amplificação e seqüenciamento de parte do rDNA bacteriano, que revelou a proximidade desta bactéria com o Complexo Burkholderia cepacia (CBC). A partir desta seqüência, foi realizado um estudo de bioinformática que indicou sondas específicas para este grupo de bactérias. Completando o Ciclo completo de Análise do rRNA, foram realizados ensaios de hibridização in situ fluorescente (FISH) para a confirmar a relação entre as estruturas bacterianas e a seqüência obtida. Este método comprovou a presença das bactérias no interior das hifas de P. ostreatus. Este trabalho constitui o primeiro relato de bactérias pleomórficas pertencente ao complexo B. cepacia associados a P. ostreatus.
The fungus Pleurotus ostreatus, which belongs to white rot basidiomycete group, is a widely cultivated mushroom; this species has high productivity and rusticity, besides its use in biobleaching and bioremediation processes. This biotechnological potential justifies microbial interaction studies between this fungi and others microorganisms. In P. ostreatus mycelia, it has been observed pleomorphic bacteria growing on agar media. This research describes several assays to confirm bacterial presence in this sample. Therefore, the full-cycle rRNA analysis (described for unculturable or fastidious microorganism), ultrastructure and basic microbiology approaches were employed. Basic microbiology approaches indicated slow growing bacteria, which grown faster near to fungi colonies in solid media amended with Tween 80 or Tween 20 (co-culture system). Ultrastructure studies confirm the presence of intracellular and extracellular pleomorphic bacteria. The full-cycle rRNA analysis started with 16S rDNA amplification and sequencing. This approach demonstrated a relation between these bacteria with Burkholderia cepacia complex. By bioinformatics analysis was determinate which DNA probes can be use to identified this bacterial group. The last step for full-cycle rRNA analysis was applying fluorescent in situ hybridization (FISH). This technique confirmed the relationship between 16S rDNA bacterial sequence and bacterial forms. This is the first time that a pleomorphic bacteria from B. cepacia complex is found associated with P. ostreatus.

-------------------------------Abstract--------------------------------Since the prediction by Maria Göppert-Mayer in the thirties of the possibility for a fluorescent molecule to be simultaneously excited by multiple photons and, more recently, the development of pulsed lasers, multiphoton microscopy has gradually evolved to finally become one of the most used fluorescent imaging techniques for the studies of thick scattering tissues or for in vivo observations of animals. Either for neurological, physiological or morphological studies, the non invasiveness and the limitation of the excited volume to the focal volume have made this fluorescence microscopy technique an essential tool for biologists.However, in a world where the biological studies always require better microscopes and where there is always a need for the spatial resolution to be improved, it is essential to offer techniques allowing to obtain a better resolution in the three dimensions and to access resolution beyond the diffraction limit defined by Ernst Abbe more than a century ago. In this thesis, the saturated excitation of fluorescence technique is adapted to multiphoton microscopy. This method achieves super-resolved images by temporally modulating the excitation laser-intensity and by demodulating the higher harmonics from the saturated fluorescence signal. As a proof of principle, the improvement of the lateral and axial resolution has been measured on a sample of fluorescent microspheres. While the third harmonic already provides an enhanced resolution, we show in this work that a further improvement can be obtained with an appropriate linear combination of the demodulated harmonics.In the end, a near twofold improvement of the resolution has been obtained in the lateral but also in the axial directions. This improvement is in agreement with the estimated resolution improvement predicted in the theoretical and the mathematical analysis of the technique carried out in this work.We also present in vitro imaging of fluorescent microspheres incorporated in HeLa cells. Enhancements of lateral and axial resolution has been observed, showing that this super-resolution technique performs well in biological samples.Finally, the strengths and weaknesses of the technique have also been analysed and detailed to see in which niche in the world of biological imaging this method can find its place. To this end, its characteristics are compared to other super-resolution and super-localisation techniques that have been previously studied in this thesis.It points out that the imaging depth, the non invasiveness and the relatively low illumination power on the samples but also the limitation of the excited volume in multiphoton microscope coupled with the simple and cost-effective implementation as well as the relatively low illumination power on the sample used in the saturated excitation technique make this method an excellent candidate for deep in vivo studies trough scattering tissue like the skin.
-----------------------Résumé-----------------------Depuis la prédiction de Maria Göppert-Mayer dans les années 30 de la possibilité pour une molécule fluorescente d'être excitée simultanément par plusieurs photons et, plus récemment, depuis le développement des lasers pulsés, la microscopie multiphotonique s'est peu à peu développée pour finalement s'imposer aujourd'hui comme un des outils d'observation par fluorescence les plus performants pour les études de tissus épais diffusants, ou encore pour l'observation in vivo d'animaux. Que ce soit pour des études neurologiques, physiologiques ou morphologiques, l'aspect non invasif et la limitation du volume excité au volume focal ont rendu cet outil de microscopie indispensable aux biologistes.Cependant, dans un monde où les études biologiques nécessitent toujours de meilleurs microscopes et où la résolution spatiale en particulier doit toujours être améliorée, il convient de proposer des techniques permettant d'obtenir une meilleure résolution dans les trois dimensions et d'aller au-delà de la limite de diffraction définie par Ernst Abbe il y a plus d'un siècle.Dans cette thèse, la technique de saturation de l'excitation de la fluorescence est adaptée à la microscopie multiphotonique. Cette méthode permet d'obtenir des images de superrésolution en modulant temporellement l'intensité laser d'excitation et en démodulant les harmoniques supérieures présentes dans le signal saturé de fluorescence. La démonstration de principe sur des microsphères fluorescentes a été réalisée montrant une amélioration de la résolution latérale et axiale. Alors que l'utilisation de la troisième harmonique produit déjà une meilleure résolution, ce travail de thèse montre qu'une amélioration supplémentaire peut être obtenue en utilisant une combinaison linéaire particulière des harmoniques démodulées.Au final, un quasi doublement de la résolution a pu être observé tant dans les directions latérales que dans la direction axiale. Cette amélioration correspond à l'amélioration prédite dans l'analyse théorique et mathématique réalisée également dans ce travail.De plus, le passage aux études in vitro a été réalisé avec succès en observant des microsphères fluorescentes incorporées dans des cellules HeLa. Des améliorations de la résolution latérale et axiale ont également été observées montrant que cette technique de superrésolution peut être appliquée à l'étude d'échantillons biologiques. Les forces et les faiblesses de cette méthode sont également analysées et détaillées afin de voir dans quel créneau d'études biologiques la technique de saturation de l'excitation de fluorescence pourrait se faire une place. A cette fin, ses caractéristiques sont comparées aux autres méthodes de superrésolution et de superlocalisation détaillées dans la première partie de ce travail.Il en resort que l'importante profondeur d'imagerie, l'aspect non invasif et la limitation du volume excité de la microscopie multiphotonique couplés à la simplicité d'implémentation et les relativement faibles puissances utilisées pour saturer l'excitation font de cette technique un excellent candidat pour des études in vivo dans des zones en profondeur dans des milieux diffusants comme la peau.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie
info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail de thèse porte sur l’estimation et l'évaluation de champs de vitesse 3D dans des séquences d'images 3D de microscopie à fluorescence. Nous nous sommes intéressés aux méthodes de mise en correspondance et aux méthodes variationnelles pour l'estimation du mouvement entre volumes 3D de la séquence. Pour l'appariement, nous avons développé deux extensions 3D originales de PatchMatch, les deux incorporant une mesure de similarité exploitant la signature de Census discrète : une méthode exploitant les super-pixels et qui procède couche par couche dans le volume, et une méthode multi-résolution s’appliquant directement aux volumes. Nous avons par ailleurs conçu une méthode de segmentation des protubérances sur la surface de la cellule et une étape d'appariement des éléments segmentés reposant sur une représentation en mailles triangulaires. En ce qui concerne l'estimation dense des flots 3D, nous avons élaboré plusieurs méthodes variationnelles. Si toutes exploitent la signature Census continue des voxels dans le terme d’attache aux données, elles se distinguent par la nature du terme de régularisation : L2, L1 ou TV. Nous avons également combiné la méthode 3D PatchMatch avec la méthode variationnelle pour appréhender à la fois des mouvements de grande et de petite amplitude. Pour l'évaluation visuelle, nous avons proposé trois techniques différentes de visualisation des flots 3D par code couleur. Elles offrent des vues synthétiques 2D pertinentes du flot 3D calculé, respectivement couche par couche dans le volume, selon des projections tri-planaires, ou par affichage sur l’image obtenue par projection d'intensité maximale. De plus, nous avons défini une nouvelle mesure d’erreur quantitative pour évaluer la précision du flot 3D estimé, lorsqu'aucune vérité-terrain n’est disponible. Elle s'exprime comme la différence angulaire entre l'orientation principale locale dans le volume source et celle correspondante dans le volume rétro-reconstruit à partir du flot 3D calculé. Nous avons testé nos méthodes sur des séquences d'images microscopiques réelles contenant des cellules de mélanome MV3 dans un environnement de collagène. En comparant avec la méthode d'Amat et al. et notre extension 3D de la méthode classique de Horn-et-Schunck, nous avons pu en déduire que nos méthodes sont les plus performantes
The thesis work deals with the computation and the assessment of 3D motion fields in 3D fluorescence microscopy image sequences. We have investigated 3D matching and variational methods for 3D flow field estimation between two consecutive volumes. For matching, we have developed two original 3D extensions of PatchMatch both involving the discrete Census similarity measure: a super-pixel based method that proceeds slice by slice, and a coarse-to-fine method directly applied to the volumes. We have also designed a protrusion segmentation method on the cell surface along with a matching stage relying on a triangular mesh-based representation. Regarding the dense estimation of 3D flow fields, we have adopted a variational approach, while exploiting the continuous Census signature of voxels in the data term. We have tested three regularization terms: L2, L1, and TV-based regularization. We have also combined the 3D PatchMatch method with the variational method to be able to handle simultaneously large and small motion magnitude. For visual assessment, we have proposed three different color-coded visualization techniques of 3D flow fields. They offer 2D summaries of the 3D flow field, respectively, slice-by-slice, with tri-planar projections, and after maximum intensity point projection. In addition, we have defined a new quantitative error measure for assessing the accuracy of the estimated flow field when no ground truth is available. It involves the angular difference between the local principal orientation of the original source volume and the corresponding one in the volume backward-warped with the 3D computed flow field. We have tested our methods on real microscopy image sequences containing MV3 melanoma cells in collagen environment. When comparing with the state-of-the-art method of Amat et al., and our 3D extension of the classical Horn-and-Schunck method, we found our proposed methods to be the best performing ones

Le syndrome de détresse respiratoire aigue (SDRA) est une maladie très grave du poumon. Malgré les nombreuses études entreprises au cours des ans, le taux de mortalité est encore élevé et aux alentours de 35% à 40%. Comme il n'existe aucun traitement spécifique, le praticien doit s'appuyer sur des outils d'évaluations fiables, qui vont lui permettre d'évaluer la réparation (ou la dégradation) du poumon et se contenter d'un traitement de support. Les outils d'imagerie dont dispose le praticien sont nombreux et variés (biopsie, tomographie, résonance magnétique,...). Ces modalités fournissent certes une image globale de la structure du poumon, et permettent de détecter facilement de nombreuses pathologies. Cependant, malgré les dernières avancées en matière de résolution et de qualité d'image, les systèmes d'imageries utilisés actuellement ne donnent pas d'information au niveau cellulaire. Or, c'est à ce niveau que l'on peut vraiment voir les mécanismes d'évolution de cette maladie. Il serait donc intéressant de trouver un moyen de visualiser le poumon à l'échelle cellulaire, sans pour autant être trop invasif, comme l'est la biopsie pulmonaire. La microscopie in vivo peut être une solution à ce problème. A l'aide d'une sonde, placée directement sur le poumon, le praticien pourra évaluer l'état du poumon de son patient en temps réel. C'est ici le but de l'étude, qui a été réalisée sur des rats. Après injection de marqueurs spécifiques (reconnaissance de certaines cellules par exemple), il devient possible d'évaluer l'état du poumon, par des considérations structurelles, cellulaires, et fonctionnelles notamment. Outre l'étape où il a fallu choisir les bons produits de marquage selon ce qu'il était visé de visualiser, il a été nécessaire de développer des outils de stabilisation de la sonde. En effet, les mouvements du coeur et des poumons, apportent sur les images un flou cinétique qui corrompt les résultats, ce qui peut amener une erreur de diagnostic. Il a donc été nécessaire de supprimer ce flou en développant notamment un système de succion pour maintenir un contact entre la sonde et le poumon.

La pression rencontrée par les organismes sur Terre varie de la pression atmosphérique à 110 MPa atteinte dans la fosse la plus profonde de l'océan. Même si Escherichia. coli n’est pas naturellement résistante à la pression, elle capable d'acquérir une résistance et même supporter un choc de pression de 2 GPa (~20 000 atm). L'une des réponses intéressantes d’E. coli à un choc sous létal de pression (100 MPa) est l'induction d'une réponse SOS dépendante de RecA due à des lésions double brins de l’ADN. La pression elle-même n'est pas capable de compromettre l'intégrité covalente de l'ADN. Des criblages ont permis d’isoler des souches d’E. coli résistantes à la pression qui révèlent qu'une endonucléase de restriction (ER) de type IV, Mrr, est le seul facteur responsable du clivage de l'ADN. Cette enzyme cible uniquement l'ADN méthylé et l’expression d’une MTase étrangère, M.HhaII, est également capable d'induire une réponse SOS dans des souches de E. coli en présence de Mrr. Ici, nous démontrons en utilisant des techniques de fluctuations d’intensité de fluorescence, in vivo et in vitro que Mrr est un présent sous la forme d’un tétramère dans les cellules non stressées. La pression est capable de dissocier Mrr en dimères actifs qui peuvent lier l'ADN et cliver à certains sites cryptiques. En revanche, la MTase HhaII favorise la forme dimeric de Mrr liée à l’ADN en raison de la méthylation de nombreux sites de haute affinité. Une analyse mutationnelle et un modèle d’homologie 3D de la protéine entière révèle la base structurelle probable du changement entre la forme tétramérique inactive à la forme dimérique active. Nous avons mis en pace un système permettant de faire de la microscopie sous pression (in vitro and in vivo) et nos résultats préliminaires ont confirmé notre modèle d’activation de Mrr
The pressure encountered by organisms on Earth varies from the atmospheric pressure to 110 MPa as reached in the deepest trench of the ocean. Although Escherichia coli is not naturally resistant to high pressure, it is capable of acquiring pressure resistance and withstanding a pressure shock up to 2 GPa (~20,000 atm). When exposed to a sub-lethal pressure shock (100 MPa) E. coli induces a RecA-dependent SOS response due to DNA double strand breaks. Pressure itself is not capable of compromising the covalent integrity of the DNA. Instead, screens for pressure-resistance E. coli mutants have revealed that a Type IV restriction endonuclease, Mrr is the only factor responsible for DNA cleavage. This enzymes targets only methylated DNA and expression of a foreign methyltransferase, M.HhaII, is also capable of inducing an SOS response in strains harboring Mrr. Here, we demonstrate using fluorescence fluctuation techniques in vivo and in vitro that Mrr is present as a tetramer in unstressed cells and that pressure dissociates Mrr into active dimers that can bind DNA and cleave at some cryptic sites. In contrast, the M.HhaII MTase pulls the Mrr tetramer-dimer equilibrium to the dimer-bound DNA form probably due to the methylation of many high-affinity sites. Mutational analysis associated with a 3D homology model of the full-length protein reveals the probable structural basis for the switch from an inactive tetramer to an active dimer. We set up a system that allows microscopy experiments (in vitro and in vivo) under pressure and preliminary results have confirmed our model of Mrr activation

Ce projet concerne l’analyse de l’organisation de populations microbiennes au sein de structures complexescomme des dépôts ou des biofilms.Si différentes méthodes sont couramment utilisées pour étudier la structure globale ou l’organisation localed’agrégats microbiens, peu d’entre elles, permettent de réaliser simultanément ces deux analyses et nécessitentsouvent des étapes de préparation qui pénalisent un approche in-vivo et en dynamique.La stratégie proposée repose sur la mise en oeuvre de micro-organismes modèles autofluorescents (levures etbactéries) qui peuvent sans aucun traitement être directement observés en microscopie. La similitude ducomportement physiologique de ces micro-organismes avec celui des souches sauvages a été démontrée. Lesconditions d’acquisition des images en microscopie confocale ont été optimisées. Des dispositifs spécifiques ontété conçus pour générer des dépôts ou des biofilms dans des conditions de contraintes physico-mécaniques etbiochimiques maîtrisées afin d’analyser simultanément leurs caractéristiques et les performances du bioprocédé.Ainsi les dépôts ont pu être observés in-vivo et in-situ grâce à une cellule de filtration équipée d’une fenêtred’observation. Le développement d’un biofilm mixte composé de levures et bactéries modèles autofluorescentes,dans un réacteur continu spécifique, a également été analysé par microscopie confocale.Le traitement et les analyses des images acquises au cours des expériences ont été effectués et ont permisd‘étudier la structure globale des agrégats biologiques et l’organisation tridimensionnelle des micro-organismesdans ces structures, en mettant par exemple en évidence une répartition hétérogène de deux populationsmicrobiennes dans des dépôts de filtration ou en comparant la capacité de deux espèces microbiennes à formerdes biofilms en étudiant in-vivo la dynamique de croissance de chacune des espèces.Cette étude a en outre permis de démontrer la pertinence de la méthode proposée, de définir ses limites et sonchamp d’application
The aim of this project deals with the analysis of both the local localization and organization of microbialpopulations in complex structures such as deposits or biofilms. Different methods are currently used to study theglobal structure or the local organization of biological aggregates but only few ones allow a combined approachand require ex-vivo analyses.The proposed strategy uses home-designed model auto-fluorescent microorganisms (yeasts and bacteria) whichcan be observed directly by microscopy without any dying treatment. Same kinetic behaviours between the wildstrains and their recombinant ones were demonstrated. The confocal microscopy conditions were optimised.Specific devices were developed to generate deposits or biofilms under controlled and known hydrodynamic orbiochemical environment conditions to analyse their structure characteristics linked to the bioprocessperformances.Based on the proposed strategy, microbial deposits modifications due to pressure constraints were observed invivo in a specifically designed flow cell equipped with a microscope glass coverslip. A mixed biofilm composedby our auto-fluorescent yeasts and bacteria was carried out in a specific bioreactor allowing the sampling ofbiofilms during their development to be analysed by confocal microscopy. Both studies have shown specificorganisations between yeasts and bacteria mainly depending on their size and on the environment conditions(pressure or dilution rate).These studies of both local and global structure of biological aggregates and 3D-organisation of themicroorganisms within theses structures demonstrated the relevance of the proposed strategy defining the limitsof the method and proposing various perspectives for further characterizations and applications

L'inactivation du chromosome x chez les mammiferes femelles est la mise sous silence transcriptionel d'un des deux chromosomes x. L'organisation de la chromatine du chromosome inactif (xi) est differente de celle de son homologue actif (xa) ; la nature de cette difference est inconnue. Une region contenant le gene xist (x inactive specific transcript) est indispensable au phenomene. Le travail presente ici vise a apporter de nouvelles informations a la fois sur l'organisation de la chromatine des chromosomes actifs et inactifs, et sur la fonction du gene xist. L'analyse de la structure chromatinienne des chromosome x a ete realisee en combinant l'hybridation in situ fluorescente (fish) a la microscopie confocale a balayage laser. Nous avons developpe des outils et des methodes pour evaluer la qualite des protocoles de fish, et pour ameliorer et analyser les images microscopiques numeriques. Des precautions particulieres doivent etre prises pour la quantification des resultats de fish. Dans des noyaux de fibroblastes humains feminins, les deux chromosomes x ont un volume identique mais different par la texture du marquage par fish. Des differences se retrouvent aussi au niveau du centromere. La detection in situ du transcrit xist permet la definition d'une region minimale comprenant xist, capable d'entrainer l'inactivation lors d'experiences de transgenese. L'integration en copie unique d'un transgene contenant xist, contrairement a une integration multiple, est incapable de declencher l'inactivation dans des cellules souches embryonnaires (es) differenciees murines, suggerant que des sequences essentielles a une fonction autonome de la region sont absentes, et indiquant l'existence de facettes insoupconnees du phenomene d'inactivation. Des cellules es de souris transgeniques porteuses de la region contenant le xist humain ont ete etudiees. Une courbure du chromosome cible, est induite au niveau du site d'integration ; la signification de cette courbure est incomprise.

L’utilisation de techniques de microscopie optique de plus en plus performantes a permis des avancées considérables en neurobiologie. Néanmoins, la population de neurones mise en jeu lors de la formation de la mémoire, ainsi que sa dynamique restent à ce jour très peu connues. L’objectif de la thèse est de développer puis d’utiliser deux types de microscopies originales couplées à des sondes fluorescentes de dernière génération (sondes calciques G-CaMP6f et sonde voltage ArcLight) pour l’étude in vivo des réseaux neuronaux impliqués dans la mémorisation chez la drosophile. Le choix du modèle Drosophila melanogaster pour cette étude neurobiologique est justifié par plusieurs atouts uniques : un cerveau peu volumineux, des capacités d’apprentissage remarquables, la possibilité d’analyser un réseau neuronal dans sa globalité avec une résolution cellulaire et la disponibilité d’outils génétiques très perfectionnés pour son étude. Le premier type de microscopie conçu est celui dite à illumination structurée de type HiLo permettant d'obtenir une coupe optique en profondeur. Nous avons alors étudié le rôle de divers récepteurs, tels que les récepteurs dopaminergiques et gabaergiques dans la transmission de l'information punitive jusqu'aux neurones des corps pédonculés. Nous avons également mis en évidence une non-homogénéité spatiale des neurones de type α/β des corps pédonculés en termes d’excitation et d’inhibition en réponse à une stimulation punitive pour une profondeur d’analyse d'environ 10 à 20 µm. Cette profondeur limite étant imposée par les aberrations, nous avons alors implémenté une boucle d’optique adaptative dans notre microscope. Cela a permis de réaliser des analyses morphologiques jusqu’à 50 µm de profondeur. Le second type de microscopie développé est la microscopie multiconfocale de type « spinning disk » dans le but d’imager l’ensemble des corps cellulaires des neurones des corps pédonculés. Le développement de ce projet n'est pas achevé, ce qui n’a pas encore permis de répondre à des questions biologiques d’intérêt
Cellular and neural network dynamics involved in memory formation remain poorly known despite the progress brought by advanced optical microscopies to neurobiology. The use of Drosophila melanogaster as a model organism constitute one of the most promising approaches due to its unique features: a small brain size, outstanding learning capabilities, very powerful genetic tools and the possibility to analyze a whole neural network with a cellular resolution. To this aim, we implemented two types of optical fluorescence microscopes coupled to cutting-edge fluorescent biosensors, calcic G-CaMP6f and voltage ArcLight probes. We used HiLo structured illumination, a technique able to provide axial optical sectioning, deep in the brain, to study the role of dopaminergic and gabaergic molecular receptors in the transmission of aversive stimulus to mushroom bodies neurons. We also evidenced a non-uniform response of type α/β mushroom bodies neurons under electrical stimulation at 10 to 20 µm depth of analysis. To penetrate deeper in the brain, we added an adaptive optics feedback loop into our microscope in order to overcome aberrations issues. We were then able to rebuild optical sections down to 50 µm depth. The second type of microscopy we developed is a multiconfocal microscope using spinning disk. The aim was to image all the mushroom bodies neurons, at the level of their cell bodies, with a cellular resolution. Since this project is at its beginning, it did not allow us to answer to advanced biological questions yet

Bien qu’il existe un vaccin contre haemophilus influenzae (hi) type b, aucun n’est disponible contre la forme non encapsulee (nthi) responsable d'infections du systeme respiratoire telle que l'otite de l'oreille moyenne. Cette infection entraine des sequelles auditives dans 20% des cas et reste la premiere cause de visite pediatrique dans les pays developpes. L’enjeu de ce travail a ete de developper un systeme permettant l'analyse de l'expression genomique durant les phases de l'infection. Et ce dans le but d’acquerir une meilleure comprehension de la pathogenese de nthi et d’identifier les antigenes de surface transcrits in vivo, representant des cibles potentielles pour un vaccin. Les sequences des genes de hi ont ete analysees pour determiner les domaines conserves, et repertories dans une banque de donnees: "the hi genomic master key". Celle-ci permet la construction d’amorces et sondes pour l’etude de ces genes dans des souches de sequences inconnues. Les protocoles necessaires a la manipulation, l’isolation et la purification d’arn ont ete mis en place et adaptes aux conditions experimentales. Une nouvelle methode d’acquisition d’echantillons ex vivo dans le chinchilla a ete developpee afin d’augmenter la quantite de bacteries disponibles pour l’analyse microarray. L’affinement des connaissances des mecanismes infectieux de nthi, par cette nouvelle methode, a des retombees cliniques pour les traitements antibiotiques et le developpement de vaccins. La plateforme microarray pour l’etude du transcriptome in vivo a ete etablie et a permis pour la premiere fois l’etude in vivo du transcriptome au cours des phases de colonisation et d’infection d’un pathogene
While a successful capsular vaccine has been developed for encapsulated serotype b haemophilus influenzae (hi), no vaccine exists for unencapsulated hi responsible for respiratory tract infections. These include otitis media that can result in sequelae in 20% of cases and remains a primary reason for pediatrician visits in developed countries. The goal of this study was to develop a system to analyze hi genes expression genome-wide during the different stages of disease. Successful comprehensive analysis at this level would provide critical insight into the pathogenesis of nthi during the course of otitis media as well as in vivo expression of particular surface antigens and thus potential candidate vaccine targets associated with infection. An initial screen of all publicly available nthi genes was carried out and conserved sequences then referenced in a database: called the hi genomic master key database. This database allows for subsequent screening of vaccine target candidates in any nthi isolate of unknown genomic sequence. All rna procedures and protocols needed for gene expression analyses were developed and adapted to the specific experimental conditions of this study. Additionally, the novel multiple consecutive lavage sampling methodology was developed to increase the amount of ex vivo bacterial mrna available for microarray analysis. This sampling method also provided insights into nthi induced otitis media with resulting clinical implications. Finally, microarray ex vivo gene expression analyses were used here for the first time to study nthi in vivo transcriptional profile genome-wide during the course of nasopharyngeal colonization and middle ear infection

L’exocytose vésiculaire est une voie physiologique majeure de la communication intercellulaire. Dans ce contexte, le TIRFM (microscopie de fluorescence par réflexion totale interne) et l’ampérométrie sont aujourd'hui les deux méthodes analytiques les plus fréquemment utilisées dans l’étude de l’exocytose. En raison de la complémentarité de ces deux techniques d’analyse pour le suivi de la sécrétion exocytotique, leur combinaison pour suivre la sécrétion exocytotique a d'abord été réalisée par notre groupe en 2011. Ce couplage a permis un enregistrement simultané des signaux fluorescents et ampérométriques avec une bonne résolution spatiale et temporelle. L'inconvénient majeur de ce travail reste le chargement indépendant des sondes optique et électrochimique dans les vésicules de sécrétion, ce qui entraîne la détection d’évènements « orphelins » ampérométriques ou optiques ainsi que la faible efficacité de détection des évènements couplés. Par conséquent, dans cette thèse, nous avons tenté de mettre à profit une sonde unique à la fois fluorescente et électroactive pour suivre l’exocytose par la méthodologie couplée TIRFM/ampérométrie. Ainsi, un analogue de neurotransmetteurs monoamine primaire, la 4-(2-amino-éthyl)-6-chloro-7-hydroxy-2H-1-benzopyran-2-one (nommé 1 dans ce travail), a été synthétisé.1 présente une fluorescence forte, stable et pH-dépendante. Lorsque cette entité est excitée à 405 nm, son intensité de fluorescence est presque doublée de pH 5 (valeur intra-vésiculaire) à 7 (valeur milieu extracellulaire). De plus, des études en voltammétrie ont pu mettre en évidence que 1 est oxydable sur électrode de carbone vitreux, microélectrode à fibre de carbone et ITO (oxyde d’indium dopé à l’étain), montrant ainsi une bonne électroactivité. La pénétration cellulaire dans les vésicules de cellules BON N13 a également été démontrée, prouvant la spécificité de l’interaction entre 1 et ces vésicules équipées d’un transporteur de monoamines primaires (VMAT). L’utilisation de 1 comme sonde unique optique et électrochimique pour le suivi de l'exocytose a ensuite été validée séparément dans des cellules BON N13 par TIRFM et ampérométrie. L’enregistrement simultané par fluorescence et électrochimie en utilisant 1 comme sonde double a ensuite été réalisé dans un microdispositif constitué d’électrodes ITO conductrice et transparente. Nos résultats basés sur la sonde unique 1 montrent qu’elle semble plus adaptée que toutes les stratégies antérieures impliquant deux sondes indépendantes. Les résolutions spatiale et temporelle de cette méthode combinée ont permis d'analyser des sécrétions d’exocytose de cellules marquées par 1. Une analyse ultérieure de ces signaux couplés optique et électrochimique sera à même d’étudier la corrélation entre le comportement du pore de fusion (dynamique d'ouverture/de fermeture, stabilité..) détecté par ampérométrie et le mouvement d'une vésicule en trois dimensions (ancrage, amarrage, fusion puis retrait dans le cytoplasme) détecté par TIRFM
Vesicular exocytosis is a ubiquitous way for intercellular communications. TIRFM (total internal reflection fluorescence microscopy) and amperometry are nowadays the two most frequently used analytical methods with complementary features for its investigation. The combination of these two analytical techniques to track exocytotic secretions was firstly achieved by our group in 2011 and this new technique was demonstrated to show both high temporal and spatial resolutions by simultaneously recording the fluorescent and amperometric signals. The major disadvantage of this former work was the independent loading of optical and electrochemical probes to the secretory vesicles, which resulted in 'sightless' amperometric or optical signals as well as low coupling efficiency. Therefore, in this thesis, we attempted to develop a unique probe with dual fluorescent/electrochemical characteristics to track exocytotic process by TIRFM/amperometry coupling technique. This is why an analog of biogenic monoamine neurotransmitters, 4-(2-aminoethyl)-6-chloro-7-hydroxy-2H-1-benzopyran-2-one hydrochloride (named as 1 in this work) was synthesized. 1 exhibited bright, stable, pH-dependent fluorescence. When excited at 405 nm, its fluorescence intensity was almost doubled with the increase of pH values from 5 (similar to that in the vesicular lumen) to 7 (similar to the extracellular medium). Furthermore, in voltammetry, 1 was demonstrated to be easily electrooxidized on GCE (glassy carbon electrode), CFE (carbon fiber electrode) and ITO (indium tin oxide) electrodes surfaces, showing good electroactivity. 1 was also shown to penetrate easily into the vesicles of BON N13 cells within 1 hour incubation, testifying its specific affinity with these VMAT-equipped (vesicular monoamine transporter) vesicles. The applications of 1 as optical and electrochemical probes for exocytosis monitoring were then separately validated in BON N13 cells by TIRFM and amperometry measurements, respectively. Simultaneous recording of fluorescent and amperometric information by using 1 dual probes loaded cells was subsequently acquired in a microfabricated device constituted by conductive and transparent ITO electrodes. Our results based on the unique probe 1 for electrochemical and fluorescent detection of exocytotic release seemed more adapted than all the previous works involving independent probes. The high spatial and temporal resolutions of this combined method also allowed analyzing consecutive exocytotic secretions as well as overlapped events in 1-stained cells. Further analysis of these two signals with complementary information will shed more light on the correlation of the fusion pore behavior (opening/closure dynamics, stability…) measured by amperometry and the motion of a secretory vesicle in three dimensions (tethering, docking, fusion and retrieval) detected by TIRFM

Le rat possède un ensemble de longues vibrisses qu'il peut bouger activement, ce qui lui permet d'explorer l'espace, de localiser les objets et de discriminer des textures. L'information sensorielle provenant des récepteurs périphériques des follicules où s'insèrent les vibrisses atteint, via des relais mésencéphaliques et thalamiques, des modules discrets, appelés " tonneaux ", de la couche IV du cortex somato-sensoriel primaire, puis se propage entre autre à la couche II/III du cortex somato-sensoriel primaire. Dans cette couche, des connexions horizontales permettent l'intégration d'informations provenant de plusieurs vibrisses différentes. Mon travail de thèse s'articule autour de la question de l'intégration multi-vibrissale dans le cortex somato-sensoriel chez le rat et est abordé grâce à la microscopie à deux photons in vivo. Il est partagé principalement en deux chapitres, le premier traitant de l'ensemble des développements optiques en microscopie à deux photons réalisés pour optimiser des enregistrements in vivo de l'activité neuronale, l'autre abordant la question de l'intégration multi-vibrissale au moyen de cette technique. J'ai donc développé un montage de microscopie à deux photons original capable d'enregistrer l'activité neuronale en couche II/III du cortex tout en donnant accès à l'architecture des réseaux enregistrés. Ce microscope permet de détecter à haute cadence des signaux calciques individuels tout en nécessitant une puissance modérée du laser d'excitation, ce qui limite la photo toxicité et le photo blanchiment. J'ai par ailleurs identifié quantitativement les différentes sources de bruits lors des enregistrements in vivo et mis en œuvre des solutions ad hoc (système de contention, algorithme de recalage des images...) pour réduire ou corriger ces bruits afin de n'être plus limité que par le bruit de photon. Enfin, j'ai estimé la qualité des enregistrements des cellules individuelles en excluant tout risque de contamination violente par des signaux collectifs tels que ceux provenant du neuropil. A l'aide de ce microscope, j'ai montré qu'il existe en couches II/III une ségrégation cellulaire selon un comportement globale ou local et que cette ségrégation s'articule au-dessus de l'organisation des tonneaux en couche IV, les cellules globales présentant une densité plus forte au-dessus des septa tandis que les cellules locales sont plus représentées au-dessus des tonneaux. Par ailleurs, au sein de la couche II/III du cortex j'ai mis en évidence l'absence de corrélation forte entre les sélectivités à la phase (dans l'espace 2D des stimuli optimaux mono-vibrisses) et à la direction (dans l'espace 2D physique) et posé les bases d'une étude de l'organisation spatiale de ces différentes sélectivités avec l'ébauche d'une cartographie fonctionnelle.

Le suivi de cellules in vivo est essentiel afin de déterminer par exemple les voies de migration de cellules tumorales circulantes ou encore pour suivre l'activité de cellules immunitaires. La microscopie de fluorescence assure une bonne résolution ainsi qu'une grande sensibilité et semble adaptée à la détection de cellules uniques in vivo dans un modèle de souris. Néanmoins, sa sensibilité est limitée par deux principaux facteurs: le signal d'autofluorescence des tissus d'une part, et l'absorption et la diffusion de la lumière visible dans les tissus d'autre part. Nous présentons la synthèse et la caractérisation optique des quantum dots Zn-Cu¬In-Se/ZnS composés de matériaux peu toxiques. Ces nanoparticules possèdent un maximum d'émission centré autour de 800 nm, où l'absorption et la diffusion par les tissus biologiques sont limitées. Elles sont rendues biocompatibles grâce à une chimie de surface développée au laboratoire qui permet d'obtenir des sondes petites, brillantes et stables en milieu intracellulaire pendant plusieurs jours. Grâce à leur temps de vie fluorescence beaucoup plus long (150 ns) que celui de l' autofluorescence des tissus (< 5ns), nous avons développé un microscope de fluorescence résolu en temps qui permet de sélectionner le signal d'une cellule isolée marquée par des quantum dots et rejeter l'autofluorescence du tissu environnant. Nous présentons également les premières images in vivo de veines marquées avec ces sondes et observées avec notre microscope
In vivo cell tracking is a promising tool to improve our understanding of certain biological processes (circulating tumour cells migration, immune cells activity). Fluorescence microscopy ensures a high resolution and a good sensitivity. The latter is however limited by the high tissue autofluorescence and poor visible light penetration depth. We present the synthesis and characterization of Zn-Cu-In-Se / ZnS (core/shell) QDs made of low toxicity materials. These QDs exhibit a bright emission centred around 800 nm, where absorption and scattering of tissues are minimal. These nanocrystals are coated with a new surface chemistry, which yields small and bright probes in the cell cytoplasm for several days after labelling. These QDs also present a fluorescence lifetime much longer (150 ns) than the tissue autofluorescence (<5 ns). By combining a pulsed excitation source to a time-gated fluorescence imaging system, we show that we can efficiently discriminate the intracellular QDs signal from autofluorescence in an ex vivo sample and thus increase the detection sensitivity of labelled cells into tissues. We also report preliminary results obtained in an in vivo sample

Les symbioses impliquant des bactéries méthanotrophes et sulfoxydantes se rencontrent chez de nombreux mytilidés des écosystèmes marins profonds à base chimiosynthétiques pour lesquels elles jouent un rôle majeur dans la nutrition et l’adaptation à leur environnement. Ce travail de thèse a consisté à adapter et développer différentes approches basées sur le FISH (Fluorescent in situ hybrization), la microscopie et l’analyse d’images. Ces techniques ont permis l’identification de 6 types de bactéries symbiotiques sur une même coupe de filaments branchiaux de l’éspèce Idas sp. Et l’étude ultrastructurale de cette symbiose. Une technique fiable de quantification de chaque type de symbiontes présent dans les bactériocytes de certains mytilidés a confirmé l’existence de variations des populations symbiotiques de l’espèce Bathymodiolus azoricus en fonction de certaines conditions environnementales, établissant la capacité des symbiontes à s’adapter rapidement aux variations du milieu.

Nous présentons dans la première partie du document une étude portant sur l'imagerie de temps de vie de fluorescence sur structures dynamiques dans le domaine de fréquence (FD FLIM). Une mesure en FD FLIM est définie par une série d'images présentant une variation d'intensité sinusoïdale. La variation d'un temps de vie se traduit par une variation dans la phase de la sinusoïde décrite par l'intensité. Notre étude comporte deux contributions principales: une modélisation du processus de formation de l'image et du bruit inhérent au système d'acquisition (capteur ICCD) ; une méthode robuste d'estimation du temps vie sur des structures mobiles et des vésicules intracellulaires. Nous présentons ensuite une étude en microscopie de fluorescence portant sur la quantification du transport hétérogène dans un environnement intracellulaire dense. Les transitions entre la diffusion Brownienne dans le cytoplasme et les transports actifs supportés par le cytosquelette sont en effet des scénarios très couramment observés dans des cellules vivantes. Nous montrons que les algorithmes classiques de suivi d'objets nécessaires dans ce contexte, ne sont pas conçus pour détecter les transitions entre ces deux types de mouvement. Nous proposons donc un nouvel algorithme, inspiré de l'algorithme u-track [Jaqaman et al., 2008], qui s'appuie sur plusieurs filtrages de Kalman adaptés à différents types de transport (Brownien, Dirigé ...), indépendamment pour chaque objet suivi. Nous illustrons sur séquences simulées et expérimentales (vimentine, virus) l'aptitude de notre algorithme à détecter des mouvements dirigés rares
We propose in this manuscript a study of the instrumentation required for the quantification in frequency domain fluorescence lifetime imaging microscopy (FD FLIM). A FD FLIM measurement is defined as a series of images with sinusoidal intensity variations. The fluorescence lifetime is defined as the nanosecond-scale delay between excitation and emission of fluorescence. We propose two main contributions in the area: a modeling of the image process and noise introduced by the acquisition system (ICCD sensor); a robust statistical method for lifetime estimation on moving structures and intracellular vesicles. The second part presents a contribution to the tracking of multiple particles presenting heterogeneous transports in dense conditions. We focus here on the switching between confined diffusion in the cytosol and motor-mediated active transport in random directions. We show that current multiple model filtering and gating strategies fail at estimating unpredictable transitions between Brownian and directed displacements. We propose a new algorithm, based on the u-track algorithm [Jaqaman et al., 2008], based on a set of Kalman filters adapted to several motion types, for each tracked object. The algorithm has been evaluated on simulated and real data (vimentin, virus) data. We show that our method outperforms competing methods in the targeted scenario, but also on more homogeneous types of dynamics challenged by density

Ce travail de thèse s’intéresse à l’introduction de méthodologies électrochimiques dans la problématique de la caractérisation du transport de peptides pénétrants (CPPs) à travers des membranes phospholipidiques. Malgré leur charge électrique globalement positive, ces peptides sont en effet capables de traverser les bicouches lipidiques de cellules réelles ou artificielles (liposomes) et il n’existe pas à ce jour de mécanisme d’internalisation universellement admis. Dans ce contexte, nous avons dans un premier temps développé des méthodologies visant à détecter des peptides pénétrants marqués par des sondes rédox en optimisant les conditions de volume et de confinement à l’électrode. Parallèlement, nous avons tenté d’observer le passage transmembranaire de ces peptides en utilisant un dispositif dérivé du patch-clamp, dans lequel un morceau (patch)de membrane lipidique est excisé d’une vésicule géante et le suivi du passage assuré par une détection ampérométrique sur ultramicro-électrode à proximité de la membrane. La sensibilité de la technique ampérométrique et le flux de CPP s’avérant faibles, nous nous sommes tournés vers une stratégie associant fluorescence (pour la sensibilité) et commande électrochimique (pour l’extinction de la fluorescence). Dans la mesure où les phospholipides constituent la barrière dynamique à travers laquelle doivent passer les CPPs, nous avons d’abord étudié l’extinction électrochimique de phospholipides marqués par une sonde à la fois rédox et fluorescente, le NBD. Observée sur des vésicules géantes au microscope confocale, la réduction électrochimique a permis l’extinction sélective des phospholipides situés sur le feuillet externe de la vésicule, un résultat que ne permettent ni la réduction par des agents chimiques (dithionite), ni les techniques de « photobleaching ». Cette propriété a été confirmée cette fois-ci pour des CPPs marqués par le NBD qui ont été mis à incuber en présence de vésicules géantes et pour lesquels un essai préliminaire semble confirmer une extinction de fluorescence essentiellement pour les peptides associés au feuillet externe de la vésicule
This PhD work was aimed at introducing electrochemical strategies in the general topic devoted to the characterization of the passage of cell penetrating peptides (CPPs) across phospholipidic membranes. Although positively charged, CPPs are prone to cross lipidic bilayers of real and artificial cells (liposomes) and there is no commonly admitted internalization mechanism so far. Therefore, we first developed electrochemical setups aimed at improving the amperometric detection of redox-taggedCPPs, through optimization of volume and confinement. Additionally, we have made attempts to use patch-clamp inspired setups to monitor the passage of CPPs across a membrane patched from a giant vesicle using ultramicro-electrodes in the close vicinity of the patched membrane. Since the amperometric technique displayed poor sensibility and the flux of CPP was too narrow, we changed our strategy for a methodology coupling fluorescence (for the sensitivity) and an electrochemical command (to achieve fluorescence extinction). Considering that phospholipids are forefront actors of CPP internalization, we first focused on the electrochemical quenching of phospholipids tagged with a probe displaying both redox and fluorescent properties (NBD). Observed on giant unilamellar vesicles (GUVs) with confocal microscopy, the electrochemical reduction of the NBD probe led to the selective extinction of the phospholipids located on the outer leaflet of the vesicle, a selectivity which is not observed using chemical quenchers such as dithionite or photobleaching methods. That property was extended to NBD-tagged CPPs, previously incubated with unlabeled Guvs and that preliminary experiment confirmed that the electrochemical extinction mostly concerned peptides associated to the outer leaflet of the liposome

La maintenance de l'information génétique est essentielle pendant la prolifération cellulaire. Chez les bactéries, la réplication et la ségrégation sont concomitantes. La réplication débute à l'origine de réplication bidirectionnelle du chromosome bactérien. Deux bras de réplications sont ensuite définis, et la réplication se termine dans la région diamétralement opposée à l'origine, le terminus. Alors que la réplication progresse, les chromatides sœurs nouvellement répliquées migrent vers des côtés opposés de la cellule. Cependant, des observations par microscopie suggèrent qu'il existe un délai entre la réplication et la ségrégation qui varie le long du chromosome. Ce délai entre la réplication et ségrégation des chromatides sœurs est appelé cohésion des chromatides sœurs. Pendant ma thèse, j'ai utilisé l'outil de haute-résolution qui permet une analyse de la cohésion du génome entier (High-SC2) pour étudier le profil de cohésion de l'organisme modèle Vibrio cholerae. Il a été démontré chez E. coli que la cohésion responsable de la variation de la vitesse de ségrégation est modulée par Topoisomérase IV, une enzyme de décaténation majeure. L'un des partenaires identifiés de cette décaténase est le complexe SMC, MukBEF. Les cellules portant une délétion de mukB montrent une production de cellules anucléées, ainsi qu'une origine de réplication mal positionnée. La ségrégation des chromosomes est affectée, et la cohésion des chromatides sœurs est augmentée. L'interaction Topo IV-MukBEF est régulée par MatP qui chasserait MukBEF du terminus de réplication, facilitant ainsi l'association de MukBEF à l'origine de réplication. J'ai donc décidé d'étudier le rôle de MukB dans la formation des motifs de cohésion chez V. cholerae. Grâce à des approches génétiques couplées à l'outil High-SC2, j'ai pu démontrer que la délétion de mukB mène à une augmentation de la cohésion sur le Chr1, plus précisément sur le bras gauche, assez loin de l'origine. Mes résultats suggèrent que MukB n'agit pas préférentiellement sur des régions spécifiques, mais que ces effets différents sur les deux chromosomes de cet organisme sont dus aux différences dans leurs origines de réplication et/ou leurs systèmes de partition. De précédentes observations dans notre laboratoire ont montré qu'une double délétion de MukB et ParAB1 cause un phénotype sévère, plus important que les délétions individuelles, j'ai donc étudié les conséquences de cette double délétion sur le profil de cohésion. Mes résultats montrent une augmentation additionnelle de la cohésion dans le Chr1 près de l'origine, suggérant ainsi que le système de partition agit sur la décohésion sur le domaine de l'origine pendant que MukB agit sur le reste du chromosome. Il a été également montré que MatP retardait la ségrégation des chromatides soeurs du terminus de réplication du Chr1. J'ai utilisé le même outil qui m'a permis d'étudier le rôle de MatP dans la cohésion de cette région. J'ai pu montrer que MatP était responsable de cette cohésion uniquement au moment de la division cellulaire et non pas pendant la réplication contrairement à MukB. Mes résultats montrent également que la densité des matS présents dans le domaine ter de chaque chromosome qui influent sur la cohésion de ce même domaine
During cell proliferation, the maintenance of genetic information is essential. In bacteria, replication and segregation are concomitant. Replication starts at the single, bidirectional origin of replication of bacterial chromosomes. Two replication arms are then defined, and replication ends in a region diametrically opposite to the origin, the terminus. As replication progresses, the newly replicated sister chromosomes migrate to opposite cell compartments. However, microscopic observations suggest that there is a delay between replication and segregation, and that this delay varies along the length of chromosomes. The delay between replication and segregation of the sister copies of a genomic position is referred to as sister chromatid cohesion. During my PhD, I used the high-resolution tool that allows for a genome-wide analysis of Sister Chromatid Cohesion (High-SC2) and studied the cohesion profile of the model organism Vibrio cholerae. It has been shown in E. coli that the cohesion responsible for the variation of segregation speed is modulated by Topoisomerase IV, a major decatenating enzyme. One of the identified partners of this decatenase is an SMC complex, MukBEF. Cells carrying a mukB deletion show a production of anucleate cells, and a mispositioned origin of replication. Chromosome segregation is impaired, and therefore sister chromatid cohesion is increased overall. The Topo IV-MukBEF interaction is regulated by MatP, which seems to displace MukBEF from the terminus of replication, facilitating the association of the MukBEF complex with the origin of replication. I therefore decided to investigate the role of MukB, in the formation of the long-range patterns of cohesion in V. cholerae. Using genetic approaches coupled with the High-SC2 assay, I demonstrated that the deletion of mukB leads to an increase in cohesion on Chr1, especially on its left replication arm, far from the origin. These results suggested that MukB does not preferentially act on specific regions and that the differential effect of the mukB deletion on Chr1 and Chr2 is probably linked to differences in their origin of replication and/or partition systems. Previous observations in the lab have in fact shown that a double deletion of MukB and ParAB1 leads to a strong phenotype, thus I investigated its effect on the cohesion profile. My results show an additional increase of cohesion in Chr1 near the ori, suggesting that the partitioning system acts on the decohesion of the ori domain while MukB acts on the chromosomal arms. In addition, it has been shown that MatP kept the sister-copies of the ter domain of Chr1 together until cell division. I used the Hi-SC2 assay to study its role in the increased cohesion of this region. I showed that MatP was responsible for the cohesion of the ter1 domain at cell division not behind the replication fork, unlike MukB. My results have also shown that it is the density of the matS sites located on the ter domain of each chromosome that influence the level of cohesion of these domains

L'utilisation accrue des methodes d'imagerie microscopique dans le domaine de la cancerologie, et les developpements recents des marqueurs specifiques utilises dans ce contexte ont fait naitre un besoin urgent en ce qui concerne le developpement de procedures de multi-marquages enzymatiques ou fluorescents, et leur quantification cellule a cellule. C'est dans ce contexte de mise au point methodologique qu'ont ete realises les travaux presentes dans cette these. Ils incluent les divers aspects de la standardisation de methodes de multi-marquages, l'adaptation des methodes d'imagerie pour la quantification du marquage in situ du recepteur a l'egf, et la normalisation des mesures. Les techniques developpees pour la quantification par cytometrie en image sont detaillees, faisant apparaitre les limites et les problemes eventuels rencontres, ainsi que la facon de les contourner ou de les resoudre. Ces developpements methodologiques ont ete appliques a l'etude de l'analyse quantitative in situ des recepteurs a l'egf dans les tissus animaux et humains (tumeurs mammaires), en relation avec la cinetique de proliferation de chacune des cellules (marquages ki67, brdu, agnor). L'etude de marquages simultanes des proteines ki67-agnors-egfr associes au marquage de l'adn montre qu'il devrait etre possible de preciser pour chaque cellule en cycle, dans un tissu normal ou tumoral, la relation entre la vitesse du cycle et l'expression des recepteurs a l'egf

En médecine, les nanotechnologies permettent le développement de nouvelles techniques de soin comme l’hyperthermie local ou la délivrance ciblée de médicaments. Ces applications impliquent de nouveaux défis scientifiques concernant la conception de nanosystems et les propriétés de leur environnement biologique. Dans cette thèse, nous avons analysé plusieurs aspects de la relaxation thermique de tels systèmes. Nous avons mise en œuvre la fois des simulations de Dynamique Moléculaire et des mesures expérimentales de microscopie d’imagerie en temps de vie de fluorescence. Nous présentons une étude numérique du transfert thermique depuis une nanoparticule en solution aqueuse et montrons qu’attacher un polymère à sa surface permet de réduire la résistance thermique entre la particule et son environnement. Nous avons modélisé des bicouches lipidiques pour calculer leurs propriétés diélectriques et leur viscosité a été étudiée par microscopie de fluorescence. Ces expériences sont réalisées sur des membranes suspendues et des vésicules unilamellaires géantes et démontrent que la viscosité des bicouches lipidiques diminue avec la température et l’application d’une tension transmembranaire induisant un changement de structure
In medicine, nanotechnologies give the opportunity to create new care practices such as local hyperthermia and targeted drug delivery. These applications imply new scientific challenges concerning the design of nanodevices and the properties of their biological environment. In this thesis, we have analysed several aspects of heat relaxation of such systems. We have used both Molecular Dynamics numerical simulations and Fluorescence-lifetime imaging microscopy experiments. We present a study of heat transfer from a solvated nanoparticle and show that attaching a polymer on its surface reduces the thermal resistance between the particle and its aqueous environment. We have modelled lipid bilayers to compute their dielectric properties and their viscosity have been investigated by fluorescence imaging. The experiments conducted on both suspended lipid membrane and giant unilamellar vesicles show that the viscosity decreases when the temperature increases and when a transmembrane voltage is applied to inducing a structural change

Le principal objectif de cette thèse a consisté au développement d’une méthode de screenning pour la découverte de nouvelles réactions de ligations bioorthogonales ainsi que son application sur une bibliothèque développée pour cette étude. Par conséquent, un système de screening a été conçu en trois étapes consistant au départ en une analyse HPLC, puis une évaluation basée sur la fluorescence de haute résolution et finalement un test de microscopie confocal in cellulo. Puis, nous avons standardisé toutes les analyses avec les réactions CuAAC et SpAAC. En outre, nous avons synthétisés 18 réactifs d’intérêts et effectué un screening de 58 expériences de ligation avec une évaluation par méthode HPLC. Parmi les 9 réponses positives obtenues figure 6 réactions impliquant de nouveaux réactifs et les analyses LC‐MS ont pu tous les valider comme des réactions de cycloaddition directe à l’exception d’une réaction. Finalement, nous avons pu appliquer la méthode in cellulo développée, afin d’évaluer la pertinence des réactions de chélation CuAAC pour une application sur cellules
The main goal of this thesis was the development of a screening method for the discovery of new bioorthogonal ligation reactions as well as its application on a self‐designed library. Therefore we designed a three step screening system consisting of a preliminary HPLC assay, a high resolution fluorescence based assay and a final in cellulo confocal microscopy assay.Subsequently we standardized all assays with the highly established CuAAC and SpAAC. Furthermore, we successfully synthesized 18 reagents of interest and screened 58 ligation experiments with the help of the HPLC setup. The 9 positive hits from this screening contained 6 reactions involving novel reagents and LCMS analysis was able to validate all but one as straight forward cycloaddition reaction. Finally we were able to apply the newly developed in cellulo assay to assess the suitability of chelating CuAAC for in cell application

Quand une cellule est exposée à un champ électrique externe, la tension électrique transmembranaire (ITV) est modifiée. Pendant l'exposition, l' ITV se superimpose au potentiel de repos (RTV) et quand la somme des deux tensions excède une valeur critique, la perméabilité de la membrane cellulaire augmente transitoirement localement. Ce phénomène est désigné comme electropermeabilisation. Dans beaucoup d'applications de l'electropermeabilisation une permeabilisation efficace et en même temps réversible est essentielle. Ainsi, une prédiction de l'expérience, qui implique l'évaluation de l'amplitude de l'ITV pour déclencher la permeabilisation, est exigée. Le problème est critique dans des tissus, où la géométrie cellulaire est plus compliquée, les cellules sont assez proches pour affecter le champ électrique autour d'elles et elles sont souvent connectées entre elles. Dans tous ces cas, une description analytique de l'ITV n'est en général pas accessible et des méthodes numériques sont ainsi souvent la seule approche envisageable. En raison de la complexité de la structure tissulaire, les modèles sont macroscopiques, et on ne considère pas la structure cellulaire détaillée, ou en cas des modèles microscopiques, les modèles sont construits utilisant des formes géométriques simples (des semi-sphères, des cubes). Pour mieux comprendre comment le champ électrique interagit avec des tissus, nous avons construit les modèles microscopiques réalistes de cellules irrégulièrement formées, des groupes de telles cellules et des suspensions denses. Le travail a alors été développé sur le plan expérimental au niveau de la cellule isolée. Les mesures de cinétique de transport de membrane ont montré que l'electropermeabilisation avec des amplitudes d'impulsion ou des durées d'impulsion progressivement croissantes conduit à des transports accrus dans des cellules. Une large augmentation a été observée dans les milisecondes après le début d'une impulsion, suivie par une augmentation de fluorescence progressive. Les résultats mesurés sur un intervalle de temps de 400 µ S ont révélé que le transport à travers la membrane permeabilisée ne peut être détecté que 100 µ S après le début de l'impulsion. En plus, une dynamique différente d'augmentation de fluorescence pendant et après l'impulsion a été observée
When a biological cell is exposed to an external electric field, induced transmembrane voltage (ITV) forms on its membrane. During the exposure, ITV superimposes to the native or resting transmembrane voltage (RTV) and when the sum of both voltages exceeds some threshold value, the permeability of the cell membrane in these regions transiently increases. This phenomenon is termed electropermeabilization. In many applications of electropermeabilization an efficient and at the same time reversible permeabilization is essential (e. G. DNA electrotransfer). Thus, a careful planning of the experiment, which involves the estimation of the amplitude of ITV leading to cell permeabilization, is required. The problem arises in case of tissues, where cell geometry is more complicated, cells are close enough to affect the electric field around each other, and they are often connected with pathways between them. In all these cases, an analytical description of ITV is in general not attainable and numerical methods are often the only feasible approach. Due to the complexity of tissue structure, numerical models are either macroscopic, where detailed cell structure is notconsidered, or in case of microscopic models, the models are constructed using simple geometrical shapes (semi-spheres, cubes). To better understand how the electric field interacts with tissues on a microscopic (single cell) level, which in turn determines the macroscopic behavior of the tissue, we constructed realistic microscopic models of irregularly shaped cells, clusters of such cells, and dense suspensions. Regarding the shape, density and connections between cells, these cell assemblies are in their complexity close to tissues. First, the amplitude of resting transmembrane voltage of cells used in the study was determined. Next, calculations of ITV were performed on models of single spherical, single attached cells, and cell clusters and they were compared to measurements of ITV on the same cells, from which the models were constructed. The course of electropermeabilization of these cells was then monitored and the results were compared with measurements and calculations of ITV. In a separate experiment, a detailed investigation of kinetics of molecular transport into cells after permeabilization was performed. Similarly, for dense cell suspensions, the ITV calculated on a model of suspension was compared with the fraction of permeabilized cells measured in suspensions with increasing cell densities. Measurements of resting transmembrane voltage (RTV) were performed by means of a slow potentiometric fluorescent dye TMRM on different cell lines in culture media and media with progressively decreasing conductivities. ITV was measured on single spherical cells, single irregularly shaped cells, and cell clusters with a fast potentiometric fluorescent dye di-8- ANEPPS. The cross-section fluorescence images of the same cells on which the measurements of ITV were performed, were used to construct realistic numerical models of cells and the ITV on these models was then calculated with finite elements method. Finitethickness, nonzero conductivity cell membrane in the model was replaced by a boundary condition in which a specific surface conductivity was assigned to the interface between the cell interior and the exterior. Electropermeabilization of cells was followed by monitoring thechanges in intracellular fluorescence of membrane-impermeant fluorescent dye Propidium Iodide. Measurements of RTV showed that in physiological conditions (cells in culture medium) and in the presence of pulsing buffer, RTV on investigated cell lines is low (between -4 and -35 mV for suspended cells and between -18 and -27 mV for attached cells). Therefore, in experiments involving electropermeabilization ITV can be used as a rough approximate of the total voltage on the membrane, while RTV can be neglected. RTV in cells in media with decreasing conductivities gradually decreased, but less than expected from theoretical calculations. This was partly attributed to overestimated intracellular concentration of potassium. However, it is also possible that the method for measuring RTV, although reported as efficient, was not suitable for these experiments. Measurements of ITV on single spherical cells, single attached cells, and cell clusters were in qualitative agreement with results of numerical calculations, while in some cases discrepancies in measured and calculated amplitudes could be observed. This was attributed to variations of the slope of calibration curve, the differences between the actual and implemented parameters of the model, physiological state of cells, and experimental setup. In addition, we observed that at pulse parameters used in measurements of ITV, cells in clusters behaved as electrically connected, i. E. A cluster acted as one giant cell. Numerical calculations on models of cells where cell membrane was replaced with a boundary condition resulted in considerably lower number of mesh elements and consequently shorter time needed to solve the problem. We also demonstrated that calculations of ITV on simplified models of irregularly shaped cells can lead to considerable deviations from ITV calculated on a realistic model. Electric field orientation affects the amplitude and distribution of calculated ITV and consequently permeabilization. Namely, cells oriented with their longer axis parallel to the field are more likely to get permeabilized than the same cells oriented perpendicularly to the field. Comparison of measured and calculated ITVs with observations of electropermeabilization on single spherical and single attached cells confirmed that permeabilization occurs in those regions of the membrane, where the absolute value of ITV is the highest (the regions facing the electrodes). Additional experiments performed on single spherical cells showed that during and immediately after the pulse, the fluorescence from cells increases asymmetrically if unipolar pulses were delivered, while symmetrical fluorescence was observed for bipolar pulses. These observations were attributed to electrophoretical effect of the pulse. On a longer time scale, asymmetry in fluorescence was still observed, even for bipolar pulses, and we did not find any reasonable explanation for that. Critical value of ITV, at which permeabilization occurs, was calculated from the polar angle of permeabilization measured immediately after the pulse and was found to be approximately 450 mV, in agreement with reported critical thresholds. Permeabilization results obtained on cell clusters showed that cells in clusters, atpulse parameters used in these experiments, behaved as electrically insulated and were permeabilized individually. This is in contradiction to what we observed during measurements of ITV (i. E. With longer, low voltage pulses), where cells in clusters behaved as electrically connected, and was assumed to be the result of opening and closing of gap junctions at different pulse parameters. Measurements of kinetics of membrane transport showed that electropermeabilization with progressively increasing pulse amplitudes or pulse durations results in increased dye transport into cells. A sharp increase was observed miliseconds after the onset of a pulse, followed by a moderate additional fluorescence increase. Results measured on a time interval of 400 µs revealed that the transport across the permeabilized membrane can be detected within 100 µs after the onset of the pulse. Besides, different dynamics of fluorescence increase was observed during and immediately after the pulse. Experiments carried out on dense cell suspensions showed that with increasing cell density (from 10×106 cells/ml to 400×106 cells/ml) the fraction of permeabilized cells decreased by approximately 50%. We attributed this to the changes in the local electric field, which lead to a decrease in the amplitude of ITV. The uptake of Propidium Iodide also decreased with cell density, but by a larger amount than expected from permeabilization results. We supposed that the additional decrease in fluorescence was mainly due to cell swelling after permeabilization, which reduced extracellular dye availability to the permeabilized membrane and hindered the dye diffusion into the cells. Resealing of cells appeared to be slower in dense suspensions, which can also be attributed to cell swelling resulting from electropermeabilization

Des études précédentes sur la levure Saccharomyces cerevisiae ont proposé une vacuolaire localisation pour Ath1, qui est difficile à concilier avec sa capacité à hydrolyser tréhalose exogènes. Dans notre étude, nous avons utilisé la microscopie fluorescente à montrer que Ath1 est bien localisées dans la vacuole, mais aussi à la surface cellulaire. Néanmoins, que Ath1 à la surface cellulaire est responsable pour la croissance sur tréhalose, et Ath1 dans la vacuole est enclin à protéolyse. Deuxième partie sur l’étude de domaine protéique, nous avons montré que les N-terminales 131 acides aminés de Ath1 sont le domaine potentiel pour l’adressage à la surface, parmi le domaine transmembranaire est indispensable. Enfin, la voie de ciblage de Ath1 dans la cellule de levure a été étudié. En utilisant différent mutants impliqués dans la voie de ciblage à la vacuole, nous avons prouvé que le ciblage d'Ath1 vers la vacuole emprunte une voie intracellulaire, indépendant de l’endocytosis. De plus, le ciblage à la surface probablement emprunte la voie "classique" de sécrétion en aide d’un group de Sec protéines. Ces études sont en cours
Trehalose (alpha-D-glucopyranosyl (1→1) alpha-D-gluocopyranoside) is a non-reducing disaccharide found in many organisms including yeasts, fungi, bacteria, plants and insects. In the yeast Saccharomyces cerevisiae, trehalose is one of the major storage carbohydrates, accounting for more than 25% of cell dry mass depending on growth conditions and stage of the yeast life cycle (Hottiger et al. , 1987a; Jules et al. , 2008; Lillie and Pringle, 1980). The accumulation of intracellular trehalose has two potential functions. First, it constitutes an endogenous storage of carbon and energy during spore germination and in resting cells. Second, trehalose acts as a stabilizer of cellular membranes and proteins (Francois and Parrou, 2001; Simola et al. , 2000; Singer and Lindquist, 1998). In the yeast S. Cerevisiae, trehalose is hydrolyzed into glucose by the action of two types of trehalases: the ‘neutral trehalases’ encoded by NTH1 and NTH2 (Jules et al. , 2008; Mittenbuhler and Holzer, 1988), which are optimally active at pH 7, and the ‘acid trehalase’ encoded by ATH1, showing optimal activity at pH 4. 5 (Destruelle et al. , 1995). Neutral trehalase has been well studied and is known to hydrolyze trehalose in the cytosol. While fungal acid trehalases, including the yeast Candida albicans (Pedreno et al. , 2004) and Kluyveromyces lactis (Swaim et al. , 2008) enzymes, have been reported to be localized at the cell surface, the localization of the S. Cerevisiae acid trehalase is still a matter of controversy. In 1982, Wiemken and coworkers (Keller et al. , 1982) first identified this protein in vacuole-enriched fraction obtained by density gradient centrifugation of a yeast protoplast preparation. Vacuolar localization of acid trehalase was very recently supported by in vivo imaging analyses using GFP-Ath1 fusion constructs under the strong and constitutive TPI1 promoter (Huang et al. , 2007). Furthermore, these authors employed various trafficking mutants to show that this acid trehalase reaches its vacuolar destination through the multivesicular body (MVB) pathway. However, this localization contrasts with the fact that this enzyme allows yeast to grow on exogenous trehalose (Nwaka et al. , 1995b), and with a measurable Ath1 activity at the cell surface (Jules et al. , 2004)

Ce travail porte sur l’étude électrochimique et par microscopie de fluorescence in situ de l’auto-assemblage, sur électrode d’or, de monocouches d’aptamères peptidiques de la protéine p53 en vue de la détection de la protéine MDM2. L’utilisation de nouvelles sondes de reconnaissance moléculaire telles que les aptamères peptidiques a été considérée en tant qu’alternative à l’utilisation d’anticorps. Les aptamères peptidiques sont des séquences synthétiques de peptide se liant à la protéine cible avec une affinité et une spécificité élevées. La première partie de ce travail porte sur l’étude électrochimique de l’interface modifiée résultant de diverses procédures d’immobilisation. Des mesures en présence du marqueur rédox [Ru(NH3)6]3+ ont démontré l’immobilisation de la sonde peptidique à la surface d’or et ont permis l’évaluation relative de la densité de sondes adsorbées à la surface respectivement à la méthode d’immobilisation considérée. Par ailleurs, des mesures en présence du couple rédox [Fe(CN)6]3-/4- ont mis en évidence une inhibition drastique du transfert d’électron dans le cas de monocouches composées exclusivement du peptide. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la détection de la protéine MDM2. Trois interfaces modifiées ont été envisagées soit deux monocouches mixtes de peptide et de 4-mercaptobutan-1-ol, ce dernier jouant le rôle de diluant, adsorbés en une ou en deux étape(s), et une monocouche uniquement composée de peptide. L’utilisation de la spectroscopie d’impédance électrochimique en présence du couple rédox [Fe(CN)6]3-/4- comme méthode de détection a mis en exergue la pertinence de cette dernière interface pour la détection. En effet, l’inhibition du transfert d’électron préalablement identifiée est fortement amoindrie suite à l’interaction avec la protéine cible. Une gamme de détection s’étendant de ~1 à 60 ng mL-1 et une limite de détection de 0,69 ng mL-1 ont été obtenues. Cette performance est comparable à celle des kits ELISA commerciaux. La fiabilité et la spécificité de la réponse ont été vérifiées par le biais de contrôles négatifs sur trois protéines, en l’occurrence le fibrinogène, le cytochrome c et l’albumine de sérum bovin, et validées par des mesures complémentaires de microbalance à cristal de quartz.La troisième partie de ce travail est consacrée à l’étude, par microscopie de fluorescence in situ, de l’organisation de la monocouche résultant des trois procédures d’auto-assemblage précitées. Ces mesures ont permis la mise en évidence d’une distribution hétérogène de la densité en sondes, et plus particulièrement la présence d’agrégats. Ceux-ci ne peuvent être désorbés de la surface par l’application de potentiels même très négatifs (-1,450 V vs Ag
Doctorat en Sciences
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Ce mémoire rend compte de l’expertise développée par l’auteur au Centre de recherchede l’Institut universitaire en santé mentale de Québec (CRIUSMQ) en endoscopie fibrée. Il décrit la construction d’un nouveau type de microscope optique, le MicroscopeInterstitiel Panoramique (PIM). Par la juxtaposition d’un court morceau de fibre à gradientd’indice et d’un prisme à l’extrémité d’une fibre monomode, la lumière laser estfocalisée sur le côté de la sonde. Pour former une image, cette dernière est rapidementtournée autour de son axe pendant qu’elle est tirée verticalement par un actuateurpiézo-électrique. Ce design de système rotatif d’imagerie interstitielle peu invasif est uneffort pour limiter les dégâts causés par la sonde tout en imageant la plus grande régionpossible en imagerie optique cérébrale profonde.
This thesis documents the expertise developed by the author at the Centre de recherchede l’Institut universitaire en santé mentale de Québec (CRIUSMQ) in fibered endoscopy,particularly the design and construction of a new kind of optical microscope: ThePanoramic Interstitial Microscope (PIM). Through the juxtaposition of a short piece ofGraded-Index fibre and a prism at the end of a single-mode fibre, laser light is focussedon the side of the probe. To form an image, the latter is quickly spun around its axiswhile it is being pulled vertically by a piezoelectric actuator. This minimally invasivefluorescence rotary interstitial imaging system is an endeavor to limit the damage causedby the probe while imaging enough tissue to provide good context to the user in deep brain optical imaging.

The ability of the biological control agents (BCAs) to colonize plant tissues is an important feature involved in microbe-assisted plant protection. Plant-microbe interaction research increased especially in the last decade thanks to technological revolution. Molecular methods and the development of advanced microscopic techniques allow researchers to explore gene expression and localization of beneficial microorganisms within plants. The green fluorescent protein (GFP) and its modified version, enhanced GFP (EGFP), more adapt for expression in mammalian cells and GC-rich actinomycetes like Streptomyces, have been widely used as markers to study gene expression, as well as plant-microbe interactions. Aside fluorescent protein approaches, fluorescence in situ hybridization (FISH) is another frequently used technique to visualize microbial colonization patterns and community composition by application of specific fluorescent probes. Firstly, we transformed five Streptomyces strains, which showed strong inhibition activity against Sclerotinia sclerotiorum, with the EGFP construct by the conjugation method. The conjugation efficiencies varied between the strains, but were comparable to the reference strain. The fitness of transformed strains was similar to wild-type; the transformants maintained similar sporulation, mycelium growth rate, and the ability to produce important secondary metabolites and lytic enzymes. Secondly, two transformed strains, Streptomyces cyaneus ZEA17I, and Streptomyces sp. SW06W, were used to study lettuce colonization dynamics by seed coating method. Their spatio-temporal dynamics were determined in sterile substrate. The strains were consistently recovered from lettuce rhizosphere and inner root tissues up to six weeks. Finally, the colonization pattern of lettuce by Streptomyces cyaneus ZEA17I was examined by both EGFP and FISH approaches combined with confocal laser scanning microscopy (CLSM). For FISH-CLSM analysis, universal bacteria and Streptomyces genus specific probes were used to label S. cyaneus ZEA17I. The consistent presence of the labeled strain at the lettuce root one week after sowing showed that Streptomyces spores could rapidly germinate and produce filamentous mycelium on lettuce. S. cyaneus ZEA17I was detected also on two-week-old roots, indicating the long-term survival ability of this strain in lettuce rhizosphere. Altogether, the antagonistic activity, rhizosphere and root competence showed by the Streptomyces conferred their potential to act as BCA. Further studies on the complex host-pathogen-antagonist interactions will provide additional knowledge to understand the modes and mechanisms of Streptomyces-mediated plant protection.

Les ARNs non codants sont des régulateurs de l'expression génétique à plusieurs niveaux. Chez la bactérie et chez la souris, des ARNs non codants (6S et B2) ont la propriété de se lier à l'ARN polymérase et d'inhiber son activité. Afin de déterminer si l'ARN polymérase II (RNAPII) humaine était associée à des ARNs non codants, une immunoprécipitation anti-RNAPII a été réalisée sur des cellules HeLa mitotiques. Les ARNs co-immunoprécipités ont été purifiés et marqués et l'ARN U1 s'est trouvé particulièrement enrichi par rapport au contrôle. Cette co-immunoprécipitation reflète l'association de la snRNP U1 avec la RNAPII. Pour vérifier cette association sur un site de transcription actif, des lignées ont été établies avec l'insertion en multiples copies d'un gène à un site unique, créant ainsi un unique super site de transcription visualisable par FISH (Fluorescence In Situ Hybridization). Deux lignées distinctes ont été créées, l'une avec un gène comportant un intron, l'autre avec le même gène où l'intron comporte trois mutations ponctuelles abolissant l'épissage. Alors que les snARNs U2, U4, U5 et U6 sont absents du site non épissé, l'ARN U1 est enrichi de la même façon indépendamment de l'épissage. La présence des protéines spécifiques de la snRNP U1 indique que la snRNP U1 est recrutée au complet au site de transcription. Ces résultats laissent supposer un rôle pour l'association RNAPII - U1snRNP dans l'épissage cotranscriptionnel.

Les techniques de fluorescence de molécule individuelle permettent de suivre la dynamique moléculaire et les interactions dans les processus biologiques. Maintenant, la dynamique moléculaire des protéines est principalement accompagnée du marquage fluorescent externe. Cependant, une molécule attachée peut perturber la dynamique de protéines. Heureusement, la majorité des protéines contiennent le tryptophane ou la tyrosine qui absorbent et émettent la lumière dans le domaine spectral d'UV entre 260 nm et 400 nm. Ces acides aminés ont de basses efficacités quantiques, photostabilisées dans l'UV et la section efficace d'absorption, qui gênent la détection des protéines individuelles. Afin d'atteindre la sensitivité de l'auto fluorescence UV des protéines individuelles, nous développons un microscope confocal UV à la résolution temporelle avec les lasers de 266 nm et 295 nm. Nous quantifions la sensitivité de détection et l'effet des techniques de photostabilisation sur l'autofluorescence des protéines. La spectroscopie de corrélation de fluorescence (SCF) et les mesures de time-correlated single photon counting (TCSPC) fournissent des informations quantitatives du volume de détection, de l'amélioration de fluorescence (AF), et de la photokinétique accélérée des molécules émettant à la présence et à l'absence des nanostructures d'aluminium (Al). En utilisant le p-terphenyl, nous optimisons les nanostructures plasmoniques d'Al afin d'améliorer la fluorescence. Sous certaines conditions, le confinement de la lumière et l'AF dans les structures d'Al permettent d'appliquer la plasmonique UV pour la détection des protéines individuelles de beta-galactosidase sans marquage
Single molecule fluorescence techniques enable to monitor the molecular dynamics and interactions in the biological processes. Nowadays, the molecular dynamics of proteins is principally accompanied by external fluorescent labeling. However, an attached molecule might perturb the protein dynamics. Fortunately, a vast majority of proteins contain tryptophan and tyrosine that absorb and emit light in the UV range of 260-400 nm. These intrinsically fluorescent amino acids yield limited absorption cross-section, quantum yield, and photostability in the UV range, which hampers single protein UV autofluorescence detection. In order to reach single molecule sensitivity of protein UV autofluorescence, we develop a time-resolved UV confocal microscope with 266 nm and 295 nm excitations and the detection optics in the near UV. Based on the total fluorescence time traces, we quantify the single molecule sensitivity, the effect of photostabilization techniques on the protein autofluorescence. Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and time-correlated single photon counting (TCSPC) measurements provide quantitative information on the detection volume, the fluorescence enhancement factors, and the accelerated photokinetics of the UV emitting molecules in the presence and absence of the aluminum (Al) nanostructures. Using p-terphenyl as a bright UV emitting molecule, we optimize the Al plasmonic nanostructures to enhance the single molecule fluorescence. Under certain conditions, the light confinement and fluorescence enhancement in the aluminum nanostructures enable to apply the UV plasmonics for the single molecule detection of label-free beta-galactosidase protein

L'oxygène singulet, premier état électronique excité du dioxygène, est considéré comme l'agent cytotoxique principal de la thérapie photodynamique (PDT) dans le traitement du cancer.En PDT, l'oxygène singulet est créé via l'activation par la lumière d'une molécule photo-sensible qui transfère son énergie au dioxygène pour conduire à l'excitation de ce dernier dans l'état singulet.Notre étude a permis de montrer qu'il est possible par activation optique directe à 1270 nm, sans agent photosensibilisant, de l'oxygène singulet d'obtenir un stress oxydant conduisant à la mort de cellules in vitro. Ceci a pu être réalisé grâce au développement d'une expérience de vidéo-microscopie, de lasers de puissance accordables autour de 1270 nm et d'une mesure in situ de l'échauffement induit par le laser. Ces trois points seront exposés avant de présenter les preuves de l'implication de l'oxygène singulet dans la mort cellulaire par irradiation laser à 1270 nm.Dans une seconde partie du travail, nous nous sommes intéressés à des méthodes optiques de détection de l'oxygène singulet, excité directement par absorption à 1270 nm, pouvant être exportées en microscopie
Singlet oxygen is the first electronically excited state of molecular oxygen. This specie is considered as the main cytotoxic agent in photodynamic therapy (PDT) of cancer. In PDT, singlet oxygen is produced via the activation by light of a photosensitizer molecule which will transfer its energy to molecular oxygen. This process leads to the excitation of molecular oxygen into the excited singlet state.In our study we have shown that it is possible by direct optical activation at 1270 nm (without a photosensitizer) of singlet oxygen to obtain oxidative stress that leads to cell death in vitro. This was done throught the developpement of a time-lapse experiment and the creation of high power tunable laser around 1270 nm and the in situ measurement of laser-induced temperature increase. These three points will be described. Then the prooves of the implication of singlet oxygen in cell death induced by 1270 nm irradiation will be exposed.In a second part of this work we studied optical methods for the detection of singlet oxygen directly, created by light absorption at 1270 nm, that could be exported to microscopy

La microscopie multiphoton est une technique d'imagerie optique non-invasive permettant une imagerie 3D de la structure de la peau à l'échelle submicrométrique. L'imagerie par microscopie multiphoton a généré des informations qualitatives nouvelles en dermatologie, mais les analyses quantitatives publiées restent peu nombreuses. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de l'analyse des images multiphoton par une rationalisation de l'approche visuelle et par une validation de paramètres quantitatifs originaux. Deux démarches cliniques ont été mises en œuvre. La première est constituée par l'évaluation et le monitoring des effets secondaires de la corticothérapie topique. Une étude pilote préliminaire a permis d'appréhender la capacité à objectiver de façon non invasive des modifications morphologiques et pigmentaires dans l'épiderme. Une seconde étude plus complète sur deux classes d'âge a montré que la microscopie multiphoton rend possible l'objectivation de modifications cutanées liées au vieillissement. Les différences d'effets induits par les corticoïdes et leur cinétique entre sujets jeunes et âgés ont aussi été caractérisées. Des paramètres quantitatifs ont été validés sur la base de critères histologiques connus. La seconde démarche clinique dédiée à une situation physiologique a abordé l'analyse des différentes typologies de couleur de peau. Cette étude a conforté la pertinence des paramètres quantitatifs relatifs à la quantité de mélanine. Il a été en effet possible de discriminer différents groupes typologiques d'intensité de couleur de peau croissante, grâce aux méthodes quantitatives basées sur l'utilisation des forts signaux de fluorescence ou de la durée de vie de fluorescence de la mélanine
Investigation of the 3D structure of human skin with a sub-cellular resolution. Multiphoton microscopy imaging has generated new qualitative information in dermatology. However, only very few published data deal with quantitative analysis from multiphoton images. The aim of this thesis was to contribute to the developpement of multiphoton images analysis, by a rationalization of the visual approach and the validation of new quantitative parameters. Two clinical approaches were performed. The first one addressed the assessment and the monitoring of cutaneous side effects induced by topical corticotherapy. A preliminary pilot study allowed demonstration that multiphoton microscopy was able to objectivate morphological and pigmentary modifications in epidermis in a non invasive way. A more comprehensive second study focusing on two age groups showed that multiphoton microscopy could objectivate age-related cutaneous modifications. Differences in the effect induced by the corticoids were characterized between young and old volunteers. Quantitative parameters were validated by comparison to already known histological features. The second clinical approach dealt with a physiological situation: analysis of different skin color typologies. This study comforted the pertinence of quantitative parameters related to pigmentation assessment. Discrimination of various skin color typologies was performed thanks to quantitative methods based on use of the specific fluorescence lifetime of the melanin or its high fluorescence signal

The demonstration of an electrically pumped organic laser remains a major issue of organic optoelectronics for several decades. This goal requires an improved device configuration so as to reduce losses which are intrinsically higher under electrical excitation compared to optical pumping. Moreover a systematic investigation of the material properties is still missing and should lead to a reliable estimate of the lasing threshold under optical pumping, and then to a lower limit for electrical pumping. In this thesis we addressed the issue of gain and polarization properties of organic materials in the case of dye-doped polymer thin films. The originality of this work lies in the study of materials via the features of dielectric micro-lasers, allowing to investigate the issues of gain and mode coupling and the physics of open systems. We propose a quantitative description of amplification in organic materials. The "gain-loss-threshold" relation was developed and demonstrated for a Fabry-Perot type cavity, opening the way to study both amplification in organic materials and light out-coupling in dielectric micro-cavities via the lasing threshold. Within this context, different cavity shapes were studied, for instance squares, where light out-coupling takes place by diffraction at dielectric corners. We evidence that polarization properties of such lasing system originate from the intrinsic fluorescence anisotropy of dyes, which required to develop a specific anisotropic model going beyond the existing theory. We also investigated the role of the cavity geometry on the polarization states of the micro-lasers and proposed different ways to influence these features.

De nombreuses études sur la genèse de l’athérosclérose suggèrent l’existence de nombreuses étapes, telles que l’accumulation de lipides le long de la paroi artérielle, qui entraîne l’entrée des LDL-Cholestérol dans les cellules, suivi par une oxydation de ces lipoprotéines. Dans notre étude, nous avons développé une approche méthodologique couplant la microscopie confocale et des méthodes spectroscopiques (techniques de transfert d’énergie (FRET) et de corrélation de fluorescence (FCS)) pour étudier l’effet des contraintes de cisaillement sur la cinétique d’internalisation de LDL natives dans des cellules endothéliales vasculaires humaines. Les LDL natives ont été marquées avec deux sondes fluorescentes : le perchlorate de 1,1'-dioctadécyl-3,3,3’,3’-tétraméthylindocarbocyanine (DiO) comme donneur et le perchlorate de 3,3’-dioctadécyloxa-carbocyanine (DiI) comme récepteur. La FCS nous a permis d’évaluer le rendement du marquage des LDL par les deux fluorophores ainsi que de la dégradation des LDL, la durée de vie moyenne des molécules a été déterminée par la technique de FLIM, alors que les mesures de FRET nous ont permis de mesurer les cinétiques de dégradation des LDL internalisées dans les cellules. Nos études ont montré : 1) – que le rendement du double marquage des LDL est de l’ordre de 30% après 24 h d’incubation des LDL avec DiI et DiO, et 82,84 % des molécules de DiI portées par les LDL sont sujets au processus de FRET avec le DiO .; 2) – la durée de vie moyenne mesurée expérimentalement par la technique de FLIM, pour le DiO couplé aux LDL dans les HUVECs suite à une excitation en mode multiphoton (??ex = 800 nm) des molécules est de l’ordre de 2 100 ps ??800 par ajustement d’ordre 1, tandis celle du DiO couplé aux DiI-LDL mesurée dans les mêmes conditions est de l’ordre de 320 ps ??400. Cette diminution de la durée de vie du donneur DiO (de 2 100 ps à 320 ps) en présence de DiI reflète un transfert d’énergie dépendante de la proximité moléculaire des deux partenaires sur la molécule de LDL. 3) – la possibilité d’évaluer la cinétique d’internalisation et de dégradation des LDL dans les cellules vasculaires endothéliales, ainsi que la dépendance de la dégradation des lipoprotéines aux contraintes de cisaillement. Au regard des données de la littérature et de nos résultats, nous pouvons conclure que le couplage des études de microscopie confocale, de FRET, FCS et de FLIM permettent l’étude in situ de l’internalisation et de la dégradation des LDL et d’appliquer ces résultats aux études cliniques sur l’athérosclérose. Cependant, d’autres études seront nécessaires pour élucider les mécanismes moléculaires de la modulation de l’expression des récepteurs aux LDL par les contraintes de cisaillement
Numerous studies on the pathogenesis of atherosclerosis suggest that several steps are involved, such as lipid accumulation in the artery wall resulting from transendothelial uptake of LDL-Cholesterol, followed by LDL oxidation. In this work, we developed spectroscopic and microscopic methods to study the effect of shear stress on the kinetics of internalization and degradation of native LDL in human vascular endothelial cells. FRET and FCS techniques were performed by using confocal microscopy. Native LDL were labeled with two carbocyanine dyes, 1,1'-dioctadecyl-3,3,3’,3’-tetramethylindocarbocyanine perchlorate (DiO) as donor and 3,3’- dioctadecyloxa-carbocyanine perchlorate (DiI) as receptor. FCS techniques allowed us to evaluate the yield of the double labeling of the LDL with DiI and DiO, where as the average lifetime of the both fluorophore was determined by FLIM techniques, and the FRET measurements enable us to follow the degradation of the LDL in the living single cells. Our studies show: 1) – that the yield of the LDL double-labeling with DiI and DiO was about 30%, and 82,84% of DiI carried by LDL are subject in FRET process with DiO. 2) – the average lifetime of DiO coupled with LDL in HUVEC was about 2 100 ps ??800 by adjustment of order 1 following the excitation of molecules in multiphoton mode (??ex = 800 nm), whereas the average lifetime of DiO coupled with DiI-LDL measured under the same conditions was about 320 ps ??400, this decreasing of the lifetime of the donor DiO (from 2 100 ps to 320 ps) in the presence of DiI reflects the energy transfer dependent on the molecular proximity of the two partners (DiO, DiI) on LDL molecules ; 3) – the possibility to evaluate the kinetics of LDL endocytosis in living single cells and the degradation of LDL was depending on the shear conditions (shear stress induced changes in the kinetics of uptake and degradation). In accordance with increasing knowledge and understanding, and regarding all available data, we conclude that confocal microscopic study, FRET, FCS and FLIM could be useful methods to establish the basic and clinical studies of LDL uptake in atherosclerosis. However, further studies need to be performed to elucidate the molecular mechanism by which shear stress modulates the expression of LDL receptors

Chaque cellule humaine est constamment soumise à des agressions extérieures comme l'exposition aux rayons Ultra-Violets, agents chimiques, etc. ou endogènes provenant de la production de métabolites par la cellule elle-même. Ces agressions induisent des dommages dans l'ADN. Ces dommages, s'ils ne sont pas réparés correctement, peuvent induire un dérèglement des fonctions de base de la cellule qui peut alors devenir cancéreuse. Pour réparer leur ADN, les cellules activent divers mécanismes de réparation et établissent une signalisation au niveau des sites endommagés. Dans le noyau, l'ADN est associé à des protéines appelées histones pour former la chromatine. La chromatine se caractérise par différents niveaux d'organisation, aboutissant à la formation d'une structure très compacte. Cette compaction élevée de la chromatine peut représenter une barrière pour la machinerie de réparation. En effet, pour être réparé, l'ADN endommagé doit être accessible à la machinerie de réparation. Pour cela, les cellules ont développé des mécanismes permettant d'accéder à l'ADN endommagé. Ces mécanismes de réponse aux dommages à l'ADN impliquent l'activation de voies de signalisation. L'un des signaux précurseurs activés après dommage à l'ADN est la Poly-ADP-Ribosylation (PARylation). La PARylation est une modification post-traductionnelle composée d'une répétition de petites molécules appelées Poly-ADP-Riboses, qui s'accrochent notamment sur les histones pour signaler la présence de cassures dans l'ADN et permettent ainsi de recruter les protéines impliquées dans la réparation des dommages. Lorsque l'ADN est endommagé, l'activation de processus de réparation induit de manière précoce le recrutement de facteurs de remodelage de la chromatine. Le rôle exact de la signalisation via la PARylation durant les étapes précoces de la réponse aux dommages à l'ADN et plus particulièrement lors du remodelage de la chromatine reste encore mal caractérisé. Durant ma thèse, j'ai utilisé des techniques avancées en microscopie pour étudier la dynamique de la chromatine après induction de dommages à l'ADN. J'ai ainsi tenté d'élucider le rôle de la PARylation dans le mécanisme de remodelage de la chromatine au niveau des dommages dans l'ADN, en recherchant des facteurs permettant d'altérer de manière spécifique la dynamique de la chromatine. Cette méthodologie nous a permis d'identifier différents facteurs impliqués dans le remodelage de la chromatine après dommage à l'ADN
In each human cell, many thousands of DNA lesions arise every day, challenging continuously the genome integrity. The majority of these lesions results from byproducts of normal cell metabolism or DNA replication, but they are also induced by exposure to radiations and genotoxic chemicals. The integrity of the genome is preserved by a plethora of different DNA damage signalling and repair machinery arranged by the cells. In the cell nucleus, DNA associates with scaffolding proteins to form the chromatin. The chromatin is tightly packed in the nucleus through several levels of organization. Such high-packing state poses a significant challenge for the repair machinery. Indeed, the damaged DNA needs to be accessible to repair proteins, and for that, cells have developed several mechanisms to allow the access to the damaged chromatin. The early steps of the DNA damage response involve the activation of proteins that are part of signalling pathways. One of the proteins activated upon DNA damage is PARP1, which synthetizes long and branched chains of ADP-ribose (poly-ADP-ribose or PAR) on itself and other chromatin factors, including histones. The activation of PARP1 leads to the recruitment of several effectors involved in DNA repair and chromatin remodeling. However the exact function of the PAR-signalling during early DNA damage response and in particular during chromatin remodeling at DNA breaks remains unclear. During my PhD, I used advanced fluorescent imaging tools to study in living cells the dynamics of chromatin in the nucleus at a local scale upon DNA damage. I used these tools to study PAR-dependent chromatin relaxation after DNA damage and to screen factors that selectively alter the dynamic behaviour of the damaged chromatin. This methodology allowed us to identify PAR-dependent factors involved in the local chromatin remodeling upon DNA damage

L’utilisation de chromophores absorbant à deux photons (ADP) pour des applications en photothérapie dynamique (PDT) et en imagerie de fluorescence présente de nombreux avantages. Les propriétés non-linéaires de ces chromophores permettent notamment d’améliorer la longueur de pénétration dans les organismes vivants ainsi que la résolution. Pour des applications in-vivo la biocompatibilité de ces chromophores lipophiles doit aussi se poser. Une étude d’ingénierie pour le développement de chromophores pour la PDT-ADP en utilisant des atomes de brome comme groupe générateur d’oxygène singulet est décrite. Différents paramètres dont le nombre et la position des atomes de brome sur la chaîne carbonée, la longueur de conjugaison, la géométrie des chromophores ont été étudiés. Cette étude permet de mettre en évidence l’importance de la position des substituants bromes et de la symétrie sur le rendement de croisement inter-système.Les observations spectroscopiques faites lors de l’étude d’ingénierie ont permis de développer des chromophores pour la microscopie de fluorescence à deux photons. La biocompatibilité est apportée grâce à un polymère d’(hydroxyethyl)acrylate. Ce polymère permet de créer une coquille hydrosolubilisante covalente. Ces chromophores ont été utilisés pour faire de l’imagerie de vascularisation cérébrale de haute résolution. Une observation particulière sur un chromophore, marquage des cellules endothéliales des parois des vaisseaux sanguins intravitaux ainsi que les applications en résultant sont présentées. Des stratégies visant l’amélioration de la sélectivité des systèmes polymères/chromophores pour des applications intravitales, comme le traitement des tumeurs cancéreuses sont décrites. Une stratégie de modification des fonctions hydroxy des chaînes polymères par des groupements imidazoliums est présentée. L’étude de complexation des polymères avec l’ADN et les études spectroscopiques in-cellulo ont été réalisées
The use of two-photon absorbing (TPA) chromophore for applications in photodynamic therapy (PDT) and fluorescence imaging provides many advantages. The non-linear properties make it possible to increase both observation depth in animals and 3D resolution. Nevertheless, for in-vivo applications, improving bio-compatibility of these inherently lipophilic chromophore is a challenge. The development of new chromophores for PDT-TPA using a molecular engineering approach using bromide substituents as singlet oxygen generators is described. Parameters like position and number of bromide, the conjugated length and chromophore symmetry are studied. The study shows the importance of bromide atom position and of the symmetry on the inter system crossing efficiency. During the engineering study, spectroscopic observation and rationalization permit to envision the design of new chromophores for two photon laser scanning fluorescent microscopy. Bio-compatibility of these chromophores is provided by (hydroxyethyl)acrylate polymer, which provides a covalent water-soluble shell. These chromophores are used to make high resolution image of cerebral vascularization. One of these chromophores shows intravital specific interaction with endothelial cells in blood vessels. Some applications of the chromophore are described. Strategies to increase the intravital selectivity of polymer/chromophores units towards cancer cells and tumor are presented. A modification of hydroxyl function by imidazolium group is described. This new chromophore is evaluated towards its complexation properties with DNA and in cellulo spectroscopic studies

LLa photophysique du calcium green a été étudiée grâce au montage de fluorescence résolue en temps sous microscope. Cette sonde est caractérisée par des durées de vie différentes selon l'état de complexation au calcium. Elle n'est pas sensible a la viscosité et peu sensible a la polarité, mais sensible a l'hydrolyse, a l'adsorption et au ph. La molécule sonde le milieu dans son état fondamental. Il existe deux conformations stables de la sonde, caractérisées par leurs durées de vie. La durée de vie courte est due au transfert de charges intramoléculaire. Des études ex vivo sur des cellules ont été faites : étalonnage, détermination de la concentration en calcium, mesure d'adsorption de la sonde par anisotropie de fluorescence.

Les cellules sont les éléments constitutifs de base de tout organisme vivant. Tous les organismes vivants partagent des processus vitaux tels que croissance, développement, mouvement, nutrition, excrétion, reproduction, respiration et réaction à l’environnement. En biologie cellulaire, comprendre la structure et fonction des cellules est essentielle pour développer et tester de nouveaux médicaments. Par ailleurs, cela aide aussi à l’étude du développement embryonnaire. Enfin, cela permet aux chercheurs de mieux comprendre les effets des mutations et de diverses maladies. La vidéo-microscopie (Time Lapse Fluorescence Microscopie) est l’une des techniques d’imagerie les plus utilisées afin de quantifier diverses caractéristiques des processus cellulaires, à savoir la survie, la prolifération, la migration ou la différenciation cellulaire. En vidéo-microscopie, non seulement les informations spatiales sont disponibles, mais aussi les informations temporelles en réitérant l’acquisition de l’échantillon, et enfin les informations spectrales, ce qui génère des données dites « cinq dimensions » (X, Y, Z + temps + canal). En règle générale, les jeux de données générés consistent en plusieurs (centaines ou milliers) d’images, chacune contenant des centaines ou milliers d’objets à analyser. Pour effectuer une quantification précise et à haut débit des processus cellulaires, les étapes de segmentation et de suivi des noyaux cellulaires doivent être effectuées de manière automatisée. Cependant, la segmentation et le suivi des noyaux sont des tâches difficiles dû notamment au bruit intrinsèque dans les images, à l’inhomogénéité de l’intensité, au changement de forme des noyaux ainsi qu’à un faible contraste des noyaux. Bien que plusieurs approches de segmentation des noyaux aient été rapportées dans la littérature, le fait de traiter le bruit intrinsèque reste la partie la plus difficile de tout algorithme de segmentation. Nous proposons un nouvel algorithme de débruitage 3D, basé sur l’apprentissage d’un dictionnaire non supervisé et une représentation parcimonieuse, qui à la fois améliore la visualisation des noyaux très peu contrastés et bruités, mais aussi détecte simultanément la position de ces noyaux avec précision. De plus, notre méthode possède un nombre limité de paramètres, un seul étant critique, à savoir la taille approximative des objets à traiter. Le cadre de la méthode proposée comprend le débruitage d’images, la détection des noyaux et leur segmentation. Dans l’étape de débruitage, un dictionnaire initial est construit en sélectionnant des régions (patches) aléatoires dans l’image originale, puis une technique itérative est implémentée pour mettre à jour ce dictionnaire afin d’obtenir un dictionnaire dont les éléments mis à jour présentent un meilleur contraste. Ensuite, une carte de détection, basée sur le calcul des coefficients du dictionnaire utilisés pour débruiter l’image, est utilisée pour détecter le centre approximatif des noyaux qui serviront de marqueurs pour la segmentation. Ensuite, une approche basée sur le seuillage est proposée pour obtenir le masque de segmentation des noyaux. Finalement, une approche de segmentation par partage des eaux contrôlée par les marqueurs est utilisée pour obtenir le résultat final de segmentation des noyaux. Nous avons créé des images synthétiques 3D afin d’étudier l’effet des paramètres de notre méthode sur la détection et la segmentation des noyaux, et pour comprendre le mécanisme global de sélection et de réglage de ces paramètres significatifs sur différents jeux de données
Cells are the basic building blocks of all living organisms. All living organisms share life processes such as growth and development, movement, nutrition, excretion, reproduction, respiration and response to the environment. In cell biology research, understanding cells structure and function is essential for developing and testing new drugs. In addition, cell biology research provides a powerful tool to study embryo development. Furthermore, it helps the scientific research community to understand the effects of mutations and various diseases. Time-Lapse Fluorescence Microscopy (TLFM) is one of the most appreciated imaging techniques which can be used in live-cell imaging experiments to quantify various characteristics of cellular processes, i.e., cell survival, proliferation, migration, and differentiation. In TLFM imaging, not only spatial information is acquired, but also temporal information obtained by repeating imaging of a labeled sample at specific time points, as well as spectral information, that produces up to five-dimensional (X, Y, Z + Time + Channel) images. Typically, the generated datasets consist of several (hundreds or thousands) images, each containing hundreds to thousands of objects to be analyzed. To perform high-throughput quantification of cellular processes, nuclei segmentation and tracking should be performed in an automated manner. Nevertheless, nuclei segmentation and tracking are challenging tasks due to embedded noise, intensity inhomogeneity, shape variation as well as a weak boundary of nuclei. Although several nuclei segmentation approaches have been reported in the literature, dealing with embedded noise remains the most challenging part of any segmentation algorithm. We propose a novel 3D denoising algorithm, based on unsupervised dictionary learning and sparse representation, that can both enhance very faint and noisy nuclei, in addition, it simultaneously detects nuclei position accurately. Furthermore, our method is based on a limited number of parameters, with only one being critical, which is the approximate size of the objects of interest. The framework of the proposed method comprises image denoising, nuclei detection, and segmentation. In the denoising step, an initial dictionary is constructed by selecting random patches from the raw image then an iterative technique is implemented to update the dictionary and obtain the final one which is less noisy. Next, a detection map, based on the dictionary coefficients used to denoise the image, is used to detect marker points. Afterward, a thresholding-based approach is proposed to get the segmentation mask. Finally, a marker-controlled watershed approach is used to get the final nuclei segmentation result. We generate 3D synthetic images to study the effect of the few parameters of our method on cell nuclei detection and segmentation, and to understand the overall mechanism for selecting and tuning the significant parameters of the several datasets. These synthetic images have low contrast and low signal to noise ratio. Furthermore, they include touching spheres where these conditions simulate the same characteristics exist in the real datasets. The proposed framework shows that integrating our denoising method along with classical segmentation method works properly in the context of the most challenging cases. To evaluate the performance of the proposed method, two datasets from the cell tracking challenge are extensively tested. Across all datasets, the proposed method achieved very promising results with 96.96% recall for the C.elegans dataset. Besides, in the Drosophila dataset, our method achieved very high recall (99.3%)

La nécroptose est une mort programmée caspase indépendante, induite par le Tumor Necrosis Factor alpha (TNFα) et fait intervenir une voie de signalisation impliquant deux kinases, les Receptor-Interacting Protein Kinases 1 et 3 (RIPK1 et RIPK3) et la pseudo-kinase Mixed Lineage Kinase domain-Like protein (MLKL). L’activation des kinases Extracellular signal-Regulated Kinase 1 et 2 (ERK1/2) a été rapportée dans plusieurs morts cellulaires programmées. Par ailleurs, la régulation de l’activité de ERK1/2 en termes d’amplitude, de durée et de localisation via des régulateurs spatio-temporels spécifiques est nécessaire pour l’orientation du destin cellulaire. L’inhibition de ERK1/2 retarde la nécroptose induite par le TNFα dans les L929 de manière dose-dépendante, sans pour autant la bloquer, suggérant un rôle pro-nécrotique de ERK1/2. Dans ces conditions expérimentales, une activité biphasique et compartimentée de ERK1/2 a été observée. De plus, nos résultats indiquent que la phosphorylation ERK1/2 est RIPK1 dépendante. Nous avons développé un nouveau rapporteur de localisation de ERK2, appelé ERK2-LOC. Une translocation transitoire suivi d’une accumulation nucléaire de ERK2 suite à la stimulation des L929 par le TNFα a été observée. Les mesures d’activité de ERK1/2 au cours de la nécroptose ont été réalisées avec un biosenseur FRET d’activité kinase (ERK1/2-ACT). Son utilisation a révélé une signature spatio-temporelle spécifique d’activité au cours de la nécroptose. Afin de corréler les signatures d’activité de ERK1/2 avec celles des kinases RIPK1 et RIPK3, nous avons développé une première génération de biosenseurs FRET pour ces kinases initiatrices de la nécroptose
Necroptosis is defined as a caspase-independent programmed cell death and relies on a signaling pathway involving two serine-threonine kinases: Receptor-Interacting Protein Kinase 1 and 3 (RIPK1 and RIPK3) and the pseudo-kinase Mixed-Lineage Kinase Like (MLKL). Activation of Extracellular signal-Regulated Kinases 1 and 2 (ERK1/2) was reported to be involved in different modes of programmed cell death. It is now accepted that the regulation of the duration, magnitude and subcellular compartmentalization of ERK1/2 activity by specific spatio-temporal regulators is interpreted by the cell towards cell fate determination. ERK1/2 inhibition delays TNFα-induced necroptosis in L929 cells in a dose dependent manner but did not block it, providing arguments for a pro-necrotic function of ERK1/2. In this context, a compartmentalized biphasic phosphorylation of ERK1/2 was observed. Our results indicate a RIPK1-dependent phosphorylation of ERK1/2. Owing to the importance of ERK1/2 spatio-temporal dynamics in determining cellular responses, we developed a new reporter of ERK2 localization named ERK2-LOC. We observed a transient translocation of ERK2 when necroptosis was triggered in L929 upon TNFα stimulation, followed by progressive ERK2 accumulation in the nucleus. ERK1/2 activities were monitored during necroptosis using a FRET-based kinase biosensor for ERK1/2 (ERK1/2-ACT). Using ERK1/2-ACT, a dedicated spatio-temporal signature of ERK1/2 activity was recorded during necroptosis. Finally, to correlate ERK1/2 activity code with necroptosis occurrence, we also engineered a first generation of FRET biosensors to report on both RIPK1 and RIPK3 activities during necroptosis

Ce travail présente des outils pour analyser la régulation de la transcription dans les cellules eucaryotes, en particulier pour le suivi de facteurs de transcription (TF) individuels dans les cellules de mammifères. Un noyau de cellule eucaryote est complexe et contient de nombreuses molécules (ADN, ARN, protéines, ATP, etc). Ces molécules interagissent avec des TF et influencent la transcription. Certaines de ces interactions peuvent être étudiées par des techniques de biochimie. La plupart, en particulier les interactions faibles, non covalentes, sont invisibles par ces méthodes. La microscopie de cellules vivantes et le suivi de molécules uniques (SPT en anglais) sont de plus en plus utilisées pour étudier ces phénomènes. L'inférence des paramètres biophysiques d'un facteur de transcription, par exemple son coefficient de diffusion, son nombre de sous-populations ou son temps de résidence sur l'ADN sont cruciaux pour comprendre sa dynamique et son influence sur la transcription. Des outils validés et précis sont donc nécessaires pour analyser les données de SPT. Pour être utile, un outil de SPT doit être non seulement validé, mais aussi accessible à des non-programmeurs. Ils doivent aussi tenir compte des biais expérimentaux présents dans les données. Nous proposons un outil d'analyse de SPT, qui se fonde sur l'estimation du propagateur de la diffusion. Ce outil a été validé et est accessible par une interface web. Nous avons montré qu'il donne des résultats proches de l'état de l'art. Il a été testé dans deux cadres : (1) l'étude de la diffusion augmentée par la catalyse enzymatique in vitro et (2) l'analyse de la dynamique du TF c-Myc dans des cellules de mammifères
This work aims at providing tools to dissect the regulation of transcription in eukaryotic cells, with a focus on single-particle tracking of transcription factors in mammalian cells. The nucleus of an eukeryotic cell is an extremely complex medium, that contains a high concentration of macromolecules (DNA, RNA, proteins) and other small molecules (ATP, etc). How these molecules interact with transcription factors, and thus influence transcription rates is an area of intense investigations. Although some of these interactions can be captured by regular biochemistry, many of them, including weak, non-covalent interactions remain undetected by these methods. Live-cell imaging and single-particle tracking (SPT) techniques are increasingly used to characterize such effects. The inference of biophysical parameters of a given transcription factor (TF), such as its diffusion constant, the number of subpopulations or its residence time on DNA, are crucial to understanding how TF dynamics and transcription intertwine. Accurate and validated SPT analysis tools are needed. To be used by the community, SPT tools should not only be carefully validated, but also be easily accessible to non-programmers. They should also be designed to take into account known biases of the imaging techniques. In this work, we first propose a tool, accessible through a web interface, based on the modeling of the diffusion propagator. We validate it extensively and show that it exhibits state-of-the art performance. We apply this tool to two experimental settings: (1) the study of catalysis-enhanced diffusion in-vitro and (2) the analysis of the dynamics of the c-Myc transcription factor in mammalian cells