Дисертації з теми "Spectroscopie de corrélation de fluorescence (SCF)"

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

Le but initial de ce travail de thèse est de proposer une technique (basée sur la Fluorescence Correlation Spectroscopy, FCS) pour améliorer la sensibilité dans la discrimination de deux molécules ayant des constantes de diffusion proches. C'est dans ce contexte que nous avons étudié la FCCS (Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy). A défaut d'améliorer la sensibilité de la Spectroscopie à Correlation de Fluorescence nous avons proposé trois géométries de FCCS pour élargir le champ d'application de la corrélation de fluorescence.

La spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS) permet d’étudier la dynamique d’objets fluorescents. En particulier, elle est parfaitement adaptée à l’étude de la diffusion moléculaire. Ainsi, elle s’est avérée efficace pour étudier la diffusion de la Rhodamine-6G au voisinage d’une interface dont l’hydrophobicité est contrôlée. L’utilisation de surface possédant des degrés d’hydrophobicité croissants nous a permis de montrer que la rhodamine-6G est fortement attirée par les surfaces hydrophobes. Une étude de la fluidité de la membrane plasmique de cellules vivantes a également été menée. Elle a porté sur le phénomène de résistance multiple des traitements anticancéreux. La fluidité membranaire d’une lignée cellulaire résistante apparaît plus hétérogène que celle de la lignée sensible. L’effet d’un fluidifiant ainsi que de deux révertants nous ont permis de révéler l’existence de « domaine » membranaire corrélé à la présence d’une protéine à l’origine de la résistance. Enfin, un développement instrumental basé sur le FRET a été proposé afin de réduire fortement l’élongation axiale du volume d’observation. Grâce à une fonctionnalisation de la surface et un marquage membranaire spécifique, les points d’adhésion cellulaire ont été mis en évidence par imagerie, nous permettant de réaliser des premières mesures locales de FCS
Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is used to probe the dynamic of molecular dyes. In particular, FCS is well adapted to investigate diffusion processes. Thus, such spectroscopic approach was suitable to study the diffusion of rhodamine-6G near a controlled interface in term of hydrophobicity degree. Finally, we have shown that rhodamin-6G is strongly attracted by hydrophobic surfaces. A study of membrane fluidity in living cells has also been conducted. It related to the multidrugs resistance (MDR) phenomena in cancer research. So, we clearly reveal the higher heterogeneity of plasma membrane in MDR cells in comparison with the sensitive ones. The effect of specific and non specific membrane agents allowed us to display the presence of distinct membrane “domain” linked to the resistance. Finally, an instrumental development based on FRET was proposed in order to strongly reduce the axial elongation of the confocal volume. Through a surface functionalization and an appropiate plasma membrane labelling, we have highlighted cell adhesion on surfaces, which enabled us to perform first local FCS measurements on cells

La Spectroscopie de Corrélation de Fluorescence (FCS) est une technique de molécules uniques particulièrement bien adaptée aux études en milieu biologique. Elle est ici mise en œuvre pour analyser localement la membrane plasmique de cellules vivantes. Dans un premier temps, la distribution de la microfluidité membranaire de cellules vivantes a été caractérisée grâce à des mesures de temps de diffusion par FCS. Nous avons ainsi pu établir la loi de distribution de la fluidité membranaire à l’échelle de la cellule unique pour différentes lignées cellulaires (LR73, MCF7, KB3. 1, MESSA et MDCKII). Une simulation Monte-Carlo montre qu’un modèle simple de diffusion à deux dimensions dans une matrice contenant des microdomaines visqueux peut rendre compte de l’allure asymétrique typique des distributions obtenues. Ce résultat a été utilisé pour évaluer les modifications membranaires liées à la surexpression de la P-glycoprotéine, protéine responsable d'un phénomène de résistance à la chimiothérapie. Nous avons également comparé la structuration membranaire de diverses lignées cancéreuses, chacune se déclinant en une version sensible et une version résistante à un médicament : la Doxorubicine. Dans un second temps, nous proposons une nouvelle méthode d’illumination locale basée sur un transfert d’énergie non radiatif. Cette méthode permet de réduire la profondeur de champ du microscope à l’échelle nanométrique. Nous en démontrons ici le potentiel pour l'utilisation de la FCS dans des solutions micromolaires ainsi que pour l'imagerie de l'adhésion cellulaire
Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a single molecule technique very well suited for in vivo studies. We have used FCS to explore plasma membrane microfluidity of living cells. Measurements were conducted at the single cell level, which enabled us to get a detailed over-view of the typical plasma membrane microviscosity distribution of each cell line studied (LR73, MCF7, KB3. 1, MESSA and MDCKII). A Monte Carlo simulation based on a 2D diffusion model enables us to link the asymetric fluidity distribution profile with the plasma membrane micro-organization. This result was used to determine the membrane organisation related to the surexpression of the P-glycoprotein (Pgp), a protein implicated in multidrug resistance. We also compare the membrane structuration of various cancer cell lines, each comes in two versions, a sensitive one and a resistant one to a chemotherapeutic drug: the Doxorubicin. Secondly, we propose a new excitation scheme based on a nonradiative energy transfert. This approach allow us to reduce the illumination depth of the microscope at the nanometric scale. We demonstrate its potential through two applications: FCS in micromolar solutions and fluorescence imaging on cells adhesion areas

La détection de molécules individuelles fluorescentes est souvent limitée par deux problèmes : la collection des photons et la définition de la taille du volume d'observation. Dans le cadre de la Spectroscopie de Corrélation de Fluorescence (FCS), nous montrons qu'un miroir, placé au niveau du point focal de l'objectif, permet : (i) une exaltation du nombre de photons collectés par molécule fluorescente et (ii) une restructuration du volume d'observation confocal par des franges d'interférences. D'abord validée à l'aide de nanosphères fluorescentes, cette méthode est mise en œuvre avec des molécules d'intérêt biologique en solution. Nous montrons numériquement, qu'au contraire de la FCS standard, cette nouvelle technique est adaptée à la mesure de coefficients de diffusion dans des structures confinées de taille similaire à la longueur d'onde d'excitation. Enfin, nous confirmons cela par l'étude de la diffusion de protéines fluorescentes, confinées dans le cytoplasme de bactéries
Single fluorescent molecule detection is often resrtricted by two problems : photon collection and size definition of the observation volume. In Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS), we show that a mirror located at the objective focal point enables : (i) to enhance the collected photon number per fluorescent molecule, and (ii) to reshape the confocal volume with interference fringes. This new technique is firstly checked for fluorescent nanospheres, then for molecules of biological interest. We show numerically that this technique is well suitable for measuring diffusion coefficients in confined wavelength-sized structure. Finally, we confirm these results by studying fluorescent proteins diffusion in bacteria cytoplasm

Le noyau d'une cellule est hétérogène par sa structure et son activité et beaucoup de ses composants interagissent de façon dynamique. Lors de l'étude de processus cellulaires comme la réponse au stress thermique, des expériences classiques de spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS), qui sont habituellement limitées à un seul volume d'observation, n'apportent que des résultats partiels à cause des informations spatiales manquantes. Ce mémoire de thèse présente une nouvelle technique de FCS multi-confocale (mFCS) qui permet des mesures FCS simultanées à différents endroits d'une cellule. La technique est basée sur l'emploi d'un modulateur spatial de lumière pour la création de plusieurs volumes d'observations distincts et d'une caméra ''electron-multiplying'' CCD (EMCCD) pour la détection en parallèle. La résolution spatiale ainsi que la sensibilité du système mFCS sont proches de celles d'un système FCS classique et en utilisant un mode d'acquisition particulier une résolution temporelle de $14mu s$ a pu être atteinte. La technique mFCS est appliquée à l'étude de la réponse cellulaire au stress thermique en observant le facteur de transcription heat shock factor 1 (HSF1), qui est un régulateur clé de la réponse au stress thermique. Des mesures mFCS dans des cellules vivantes révèlent des changements dans la dynamique de HSF1 pendant le choc thermique. Ces changements concernent l'affinité ainsi que l'homogénéité spatiale des interactions avec l'ADN. En outre, nous avons également évalué les performances d'une caméra CMOS-SPAD et testé le dispositif en tant que capteur alternatif pour la mFCS en cellules vivantes.

Le noyau d'une cellule est hétérogène par sa structure et son activité et beaucoup de ses composants interagissent de façon dynamique. Lors de l'étude de processus cellulaires comme la réponse au stress thermique, des expériences classiques de spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS), qui sont habituellement limitées à un seul volume d'observation, n'apportent que des résultats partiels à cause des informations spatiales manquantes. Ce mémoire de thèse présente une nouvelle technique de FCS multi-confocale (mFCS) qui permet des mesures FCS simultanées à différents endroits d'une cellule. La technique est basée sur l'emploi d'un modulateur spatial de lumière pour la création de plusieurs volumes d'observations distincts et d'une caméra ``electron-multiplying'' CCD (EMCCD) pour la détection en parallèle. La résolution spatiale ainsi que la sensibilité du système mFCS sont proches de celles d'un système FCS classique et en utilisant un mode d'acquisition particulier une résolution temporelle de $14mu s$ a pu être atteinte. La technique mFCS est appliquée à l'étude de la réponse cellulaire au stress thermique en observant le facteur de transcription heat shock factor 1 (HSF1), qui est un régulateur clé de la réponse au stress thermique. Des mesures mFCS dans des cellules vivantes révèlent des changements dans la dynamique de HSF1 pendant le choc thermique. Ces changements concernent l'affinité ainsi que l'homogénéité spatiale des interactions avec l'ADN. En outre, nous avons également évalué les performances d'une caméra CMOS-SPAD et testé le dispositif en tant que capteur alternatif pour la mFCS en cellules vivantes
The cell nucleus is heterogeneous in its structure and activity and many of its components are in dynamic interactions with each other. When investigating the cellular response to an external signal, such as heat shock, standard fluorescence correlation spectroscopy (FCS) experiments, which are limited to one observation volume, do only give partial results because of the missing spatial information. This work introduces a novel multi-confocal FCS (mFCS) technique that allows simultaneous FCS measurements in different locations within a cell. It is based on the use of a spatial light modulator (SLM) to create several distinct observation volumes at a time and an electron-multiplying charge coupled device (EMCCD) camera to perform parallel detection. The spatial resolution as well as the sensibility of the mFCS system are close to that of a classical FCS setup and using a special readout mode, a temporal resolution of $14mu s$ is reached. The mFCS technique is applied to study the cellular response to thermal stress by monitoring the transcription factor heat shock factor 1 (HSF1), which is a key regulator of the heat shock response. mFCS experiments in living cells reveal changes in the dynamics of HSF1 upon heat shock. These changes concern the affinity as well as the spatial homogeneity of its interactions with DNA. Additionally, the performance of a CMOS-SPAD camera, consisting of an array of single photon avalanche diodes, is evaluated and the device is tested as an alternative detector for mFCS in living cells

Des études préliminaires ont été menées sur un modulateur plasmonique pour des applications télécoms et sur un réseau de nanopointes recouvertes d'or pour des applications biomédicales. Nous proposons d'utiliser des modulateurs plasmoniques tout optique basés sur des nanoparticules métalliques déposées sur des films métalliques minces afin d'assurer la conversion des signaux électriques en signaux optiques par variation de l'intensité de la lumière transmise. L'originalité de ce projet provient de l'utilisation simultanée de plasmons de surface localisés et propagatifs pour produire la fonction optique. Cette géométrie offre de nombreux avantages par rapport aux systèmes actuellement proposés : réalisation simple, capacité d'intégration haute densité et efficacité de modulation. Une partie de ce travail de thèse a consisté à étudier ce type de modulateur en microscopie à fuites radiatives. L'étude de la réponse optique de nanoparticules d'or déposées sur des films métalliques minces a permis d'obtenir des amplifications de la transmission de lumière à travers ces films. Nous avons également développé une nouvelle technique de fluorescence couplant la spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS) avec des substrats plasmoniques nanostructurés afin de pouvoir caractériser des biomolécules in vivo en réduisant le volume d'observation. Les substrats plasmoniques utilisés sont des réseaux de pointes nanométriques recouvertes d'or. Des mesures de FCS sur des fluorophores diffusant à proximité de ces substrats ont été effectuées. Les résultats obtenus n'ont malheureusement pas été concluants : en réflexion (laser d'excitation réfléchi sur les substrats plasmoniques), le signal émis par les fluorophores n'a pas pu être discriminé de celui émis par les substrats. Récemment, des résultats prometteurs ont cependant été obtenus dans une autre configuration (lumière injectée et collectée par les fibres optiques des substrats)
Preliminary studies were carried on a plasmonic modulator for telecomunication applications and on a gold nanotips array for biomedical applications

Mise en evidence du role determinant des traces d'eau contenues en impurete dans les solvants sur la fluorescence double des n,n-dialkylanilines para-substituees (molecules titc). L'origine de cette anomalie est un complexe par liaison hydrogene

Dans la description actuelle de la membrane plasmique, des hétérogénéités ou des mécanismes sont supposés empêcher la libre diffusion des particules membranaires. La diffusion des protéines transmembranaires serait ainsi ralentie par le réseau d'actine du cytosquelette, alors que les microdomaines lipidiques confineraient transitoirement les molécules impliquées dans les voies de signalisation.
La spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS) est une technique puissante permettant de mesurer des coefficients de diffusion. L'étude devient cependant malaisée lorsque la diffusion n'est pas libre, comme c'est le cas des composantes de la membrane cellulaire.
Nous avons montré que la réalisation de mesures FCS à différentes tailles de volumes d'observation permet de tracer les lois de diffusion des molécules dans les membranes des cellules vivantes. Notre méthode permet ainsi de distinguer entre différentes structures de confinement des particules de la membrane plasmique et de mesurer certaines de leurs caractéristiques, comme leur taille ou le temps de confinement moyen. Il a également été possible d'étudier la réorganisation de la membrane cellulaire au cours d'un événement de signalisation.

Les corrélations de photons sont à la base d'un certain nombre d'expériences et d'applications (spectroscopie de corrélation de photons, profilométrie haute résolution, cryptographie quantique, téléportation). L'évaluation de ces propriétés de corrélation revêt dès lors une importance toute particulière et correspond à la thématique dans laquelle s'inscrit ce travail de thèse de Doctorat. Tout d'abord, les concepts de compteur de photons par absorption à deux photons ont été (ré)évalués expérimentalement dans différents semiconducteurs et nous ont conduits à établir les bases d'un modèle quantique du comptage à deux photons. Par la suite, l'absorption à deux photons dans les semiconducteurs est appliquée dans une nouvelle technique qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources optiques continues de faibles puissances (0,1 µW au minimum) avec une bande passante allant de 1,1 à 1,7 µm et une résolution de l'ordre de la femtoseconde. Expérimentalement, le montage est conceptuellement proche d'un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss où, dans notre cas, les deux sous-faisceaux décalés dans le temps sont recombinés sur un compteur à deux photons. Grâce à la très large bande passante à deux photons, les corrélations de sources larges spectralement sont caractérisées au moyen de ce montage qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources chaotiques aussi bien que d'un générateur paramétrique à la dégénérescence ou hors de la dégénérescence. Pour la première fois, le phénomène de bunching des photons issus d'un corps noir a été vérifié par une mesure directe. Pour ce qui est de la lumière paramétrique, après avoir développé une source de photons jumeaux, nous avons démontré que notre montage expérimental était à même de mesurer les coïncidences exactes des photons issus d'une même paire aussi bien que les coïncidences accidentelles entre photons de paires différentes en contrôlant les phénomènes de dispersion chromatiques à l'aide d'une paire de prismes. Enfin, deux modèles théoriques originaux de corrélation de photons jumeaux ont été développés, basées sur les approches quantique et classique, et sont en excellent accord avec l'ensemble de nos résultats expérimentaux.

Dans une première partie nous avons utilisé des techniques de
micromanipulations de molécules d'ADN uniques avec des pinces magnétiques
pour étudier la cinétique et thermodynamique de formation de boucles
sur l'ADN par le répresseur GalR. Nous avons également étudié les propriétés
de la translocase à ADN FtsK impliquée dans la ségrégation des chromosomes
chez E. coli. Dans une seconde partie nous avons mis en place différentes
expériences utilisant l'excitation biphotonique. Tout d'abord nous
avons construit un dispositif pour mesurer les sections efficaces d'absorption
à deux photons de molécules synthétisées au laboratoire.Nous avons ensuite
mis en place la technique de corrélation de fluctuations de fluorescence pour
mesurer des coefficients de diffusion et des constantes cinétiques.

Les nano-antennes optiques permettent la manipulation, le confinement et l'exaltation des champs électromagnétiques dans des volumes sub-longueur d'onde. Les applications de ces nano-objets concernent des domaines variés tels que les nano-sources de lumière, la photovoltaïque, la microscopie, la spectroscopie... Les propriétés physiques de ces nano-antennes dépendant essentiellement de leur nature, leurs tailles et leurs géométries, la caractérisation expérimentale de ces nano-objets est essentielle car elle permet d'en améliorer fortement le design et d'amplifier les réponses électromagnétiques. La problématique de ce travail de thèse concerne la caractérisation et l'exploitation des propriétés de nano-antennes optiques. Différentes techniques de caractérisation expérimentale de nano-antennes ont été développées au cours de cette thèse: spectroscopie de corrélation de fluorescence, suivi de dynamique temporelle de boîtes quantiques, spectroscopie sous saturation de fluorescence. Ces techniques ont été appliqués pour étudier différents types d'antennes optiques: microsphères diélectriques, nano-ouvertures simples et nano-ouvertures corruguées. Réciproquement, ces nano-antennes optiques ont été utilisées pour améliorer efficacement la détection de molécules fluorescentes en solution, avec des exaltations de fluorescence moléculaire supérieures à un facteur 100 et un contrôle de la directivité d'émission de fluorescence, ouvrant ainsi de nouvelles opportunités en biophotonique.

La membrane plasmique constitue la première entité séparant la cellule de son environnement. A ce rôle de barrière s'ajoute celui de réguler la. Par conséquent, la membrane plasmique est une zone privilégiée pour le passage d'information. Cependant, son étude reste difficile, ne serait-ce que par l'extraordinaire complexité d'organisation de cet assemblage supramoléculaire.Mon projet de thèse vise à développer de nouvelles approches expérimentales pour explorer plus spécifiquement l'organisation et le rôle de la membrane plasmique d'une cellule dans les mécanismes de transduction de l'information. Deux axes ont été privilégiés : le premier, concerne la description de la dynamique d'organisation de la membrane ; le deuxième concerne l'inter-connectivité et la transmission du signal d'une cellule avec d'autres partenaires.Ce manuscrit se compose de plusieurs parties. Le premier chapitre introduira succinctement les questions biologiques. Dans le second chapitre, je présenterai des méthodes utilisées pour l'étude de la membrane. J'y présenterai aussi une série d'observation que j'ai réalisée sur la diffusion de l'EGFR. Le troisième chapitre sera consacré à la technique de corrélation croisée de fluorescence depuis le montage jusqu'à l'étude du modèle EGFR. Dans la quatrième partie, nous verrons comment les collaborations à l'interface biophysique ont permis des développements innovants sur un système de pinces optiques holographiques. J'y présenterai les applications de ce système à différent modèles d'intérêt biologique. Enfin, je conclurai ce document par une brève discussion autour des résultats obtenus aussi bien d'un point de vue méthodologique que biologique
The plasma membrane separates the cell from its environment. But it is more than a barrier any cell has to communicate with the outside world. Therefore the plasma membrane plays a prime role in transferring and exchanging information. However, the biological study of the plasma membrane remains difficult due to the extraordinary complexity of it organization.My thesis is a part of an effort to develop new experimental approaches to explore more specifically the organization and the role of the plasma membrane in the signal transduction mechanisms. Two major aspects were followed: the first one concerns the description of the dynamics of membrane organization and of molecular interactions, the second concerns the inter-connectivity and signal transduction between a cell and other biological partners.This manuscript is composed of several parts. The first chapter briefly introduces the biological questions that I tried to answer. In the second chapter, I present the methods commonly used to study the membrane with a dynamic perspective. Additionally, I include a series of observations that I made on the EGF receptor diffusion. The third chapter is devoted to the fluorescence cross-correlation technique to study the assembly of the EGFR. In the fourth part, I demonstrate how scientific collaborations at the interface between biology and physics have led to the development of innovative solutions on a holographic optical tweezers system. I present applications of this system in different biological models. Finally, I conclude this thesis with a brief discussion about my technological and biological results

Les nanostructures d'or peuvent être utilisées comme antennes optiques : elles se couplent à un émetteur ou récepteur de photons en champ proche et amplifient l'interaction de celui-ci avec le champ lointain. Nous montrons ici comment des dimères de nanoparticules d'or assemblés autour d'un brin d'ADN fonctionnent comme des antennes aux fréquences optiques, alimentées par un émetteur quantique unique. L'électrophorèse permet d'isoler des nanoparticules de 36 nm de diamètre fonctionnalisées par un seul monobrin d'ADN de 30 ou 50 bases et, après hybridation de séquences complémentaires, de dimères de géométries contrôlées. Les fréquences de résonance de ces assemblages indiquent un décalage spectral vers le rouge pour des distances interparticules réduites ; en excellent accord avec des calculs théoriques corrélés à une étude topologique par microscopie électronique cryogénique. En alimentant ces dimères par une unique molécule d'ATTO647N, nous produisons des sources de photons uniques dont les taux d'émission spontanée sont exaltés de deux ordres de grandeur par rapport à des fluorophores isolés. Les taux de désexcitation mesurés sur plusieurs centaines de molécules uniques (isolées et en présence d'une ou deux nanoparticules d'or) coïncident quantitativement avec les exaltations estimées en théorie de Mie. Des mesures d'ensemble par spectroscopie de corrélation de fluorescence indiquent également une exaltation de plus d'un ordre de grandeur des coefficients d'extinction molaire et un gain en signal de fluorescence pour les dimères les plus courts malgré une réduction notable du rendement quantique. En modifiant fondamentalement l'environnement électromagnétique local, ces nanostructures hybrides offrent une nouvelle voie d'ingénierie des propriétés photochimiques de systèmes moléculaires.

Gold nanoparticules (GNPs) are of great interest for several applications in nanomedicine ; espacially in imaging and sensing, drug delivery or photothermal therapy because of their unique physical and chemical properties. For all theses applications, a better understanding of the interaction of GNPs with biomolecules and their uptake into cells is of great importance. Thus the main objective of this thesis was to study the toxicity of GNPs in biological media based on their sizes, shapes and surface chemistries. Cytotoxicity studies on human cells were done in vitro in presence of six GNP samples having spherical and flower shapes. We compared the cytotoxic effects and showed that it was largely higher for flower-shaped GNPs than spherical ones. Further we built-up the optical assembly and the set-up of the Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS). Followed by the set-up, the sensitivity, the resolution and other parameters were determined during the characterization of the FCS sytem. Then FCS was used to characterize fluorescent molecule-conjugated GNP, wich were fabricated in the interest of biomedical applications. In the next step, we characterized the diffusion behavior of MitoTracker dye labeled mitochondria by FCS in order to be able to compare in future the mitochondrial diffusion after incubating with GNPs, wich is described as the perspectives
Les nanoparticules d'or (NPO) sont d'un grand intérêt pour de nombreuses applications en nanomédecine (en particulier pour l'imagerie, la détection de pathologies, la délivrance de médicaments ou la thérapie photothermique) en raison de leurs propriétés physiques et chimiques. Pour toutes ces applications, une meilleure compréhension de l'interaction des NPO avec les biomolécules et leur absorption dans les cellules est d'une importance primoridale. Ainsi, l'objectif principal de cette thèse était d'étudier la toxicité des NPO dans les milieux biologiques en fonction de leurs tailles, leurs formes et leurs chimies de surface. Des études de cytotoxicité sur des cellules humaines ont été réalisées in vitro, en présence de six types différents de NPO de forme sphérique et de nano-fleur. Nous avons comparé les effets cytotoxiques et montré qu'ils étaient largement supérieurs pour les NPO en forme de nano-fleur par rapport au NPO sphériques. En outre, nous avons mis en place un système de corrélation de spectroscopie de fluorescence (CSF). La sensibilité, la résolution et les principaux paramètres du système ont été déterminés lors de sa caractérisation. La CSF a ensuite été utilisée pour caractériser des NPO fluorescentes fabriquées pour des applications biomédicales. Nous avons également caractérisé la diffusion de Mitotracker, un marqueur des mitochondries par CSF afin d'être en mesure de comparer la diffusion mitochondriale après incubation de NPO

Ce travail a pour objectif d'étudier l'influence des propriétés de surface sur la nanohydrodynamique de liquides simples au voisinage de parois solides.
Dans une première partie, nous avons développé une nouvelle méthode pour la détermination de la condition limite hydrodynamique (CLH) fondée sur la mesure, par spectroscopie de corrélation de fluorescence, du mouvement thermique de colloïdes confinés. Nous montrons que, sur des surfaces lisses, la CLH est influencée par les propriétés de mouillage de la paroi : tandis que l'hypothèse de non-glissement est respectée sur les parois mouillantes, nous observons un glissement nanométrique du liquide sur les parois non-mouillantes.
Dans une deuxième partie, nous avons exploré, à l'aide de simulations de dynamique moléculaire, les conséquences de ces modifications sur la dynamique des systèmes chargés. Sur des parois non-mouillantes, nous mettons en évidence la possibilité d'une forte amplification des différents effets électrocinétiques.

La toxine bactérienne de Shiga se lie au glycosphingolipide (GSL) globotriaosylcéramide (Gb3) afin d’entrer par endocytose dans les cellules en utilisant une voie dépendante et indépendante de la clathrine. Dans la voie indépendante de la clathrine, la toxine de Shiga réorganise les lipides de la membrane de façon à imposer une contrainte mécanique sur la bicouche, conduisant ainsi à la formation de pic d’invagination d'endocytose profonds et étroits. Mécaniquement ce phénomène n’est pas encore compris, notamment il reste énigmatique, comment se traduisent les propriétés géométriques de l’agrégation des glycosphingolipides GSLS et de la toxine. Dans mon travail de thèse, via l’utilisation de la sous-unité B de la toxine de Shiga (STxB) comme un modèle, différentes espèces moléculaires de son récepteur Gb3 ont été synthétisés avec des structures délibérément choisis. Les études réalisées par imagerie de haute résolution et par la modélisation informatique ont permis d’élucider les contraintes mécano-chimique sous-jacente conduisant à une réorganisation efficace qui a pour résultat l’agrégation de la toxine et la réorganisation des lipides. En combinant des expériences de simulation sur ordinateur de dynamique des particules dissipatives (DPD) et des expériences sur des modèles de membranes cellulaires, nous avons fourni la preuve de l’induction d’une force de fluctuation-membrane, de type « force de Casimir », conduisant à l'agrégation des molécules de toxines associées à la membrane à des échelles de longueur mésoscoiques. Nous avons observé et mesuré, en outre la condensation lipidique induite par la toxine, quantitativement sur des monocouches de Langmuir en utilisant la réflectivité des rayons X (XR) et par la mesure de la diffraction des rayons X par incidence rasante (GIXD), fournissant ainsi une preuve directe de l'hypothèse que la toxine a le potentiel de réduire de façon asymétrique la surface moléculaire sur la partie membranaire exoplasmique, ce qui conduit à une déformation locale de la membrane. Durant ma thèse, nos efforts ont été consacrés à la réalisation de nouveaux glycosphinolipides (GSL) comme outils chimiques à visée biologique. Par ailleurs, une nouvelle stratégie de reconstitution de GSL fonctionnels sur la membrane cellulaire, basée sur une réaction de ligation de type « click » entre un glycosyl-cyclooctyne et un azido-sphingosine a été étudiée. Les résultats obtenus sur les cellules se sont avérés beaucoup moins efficace que ceux in vitro. Une poursuite de l'optimisation de cette méthodologie est actuellement en cours. Une sonde fluorescente du glycosphinolipide Gb3, marquée à l’Alexa Fluor 568 lui-même lié par l'intermédiaire d'un bras PEG-α à la position de la chaîne acyle, a été synthétisée. Cette sonde se lie à la STxB sur couche mince de TLC, mais pas sur des membranes modèles. D'autres améliorations sont discutées
Bacterial Shiga toxins bind to the glycosphingolipid (GSL) globotriaosylceramide (Gb3) to enter cells by clathrin-dependent and independent endocytosis. In the clathrin-independent pathway, Shiga toxin reorganizes membrane lipids in a way such as to impose mechanical strain onto the bilayer, thus leading to the formation of deep and narrow endocytic pits. Mechanistically how this occurs is not yet understood, and notably how the geometric properties of toxin-GSLs complexes translate into function has remained enigmatic. In my thesis work, using the B-subunit of Shiga toxin (STxB) as a model, different molecular species of its receptor Gb3 have been synthesized with deliberately chosen structures, coupled with high resolution imaging and computational modeling, to understand the underlying mechano-chemical constraints leading to efficient toxin clustering and lipids reorganization. By combining dissipative particle dynamics (DPD) computer simulation and experiments on cell and model membranes, we provided evidence that a membrane fluctuation-induced force, termed Casimir-like force, drives the aggregation of tightly membrane-associated toxin molecules at mesoscopic length scales. Furthermore, toxin-induced lipid condensation was observed and measured quantitatively on Langmuir monolayers using X-ray reflectivity (XR) and grazing incidence x-ray diffraction (GIXD), thereby providing direct evidence for the hypothesis that the toxin has the potential to asymmetrically reduce the molecular area of the exoplasmic membrane leaflet, leading to local membrane deformation. During my PhD, effort was also invested to develop new GSL tools applied to the biological setting. A novel strategy based on the Cu-free click reaction between glycosyl-cyclooctyne and azido-sphingosine was designed with the goal to functionally incorporate GSLs into cellular membranes. Following the synthesis work, click reactions have been performed in solution and on cells. Compared to the former, results on cells were far less efficient. Further optimization is currently ongoing. A fluorescently labeled Gb3 probe with Alexa Fluor 568 coupled via a PEG linker to the α-position of the acyl chain, was synthesized, to which STxB bound on TLCs, but not on model membranes. Further improvements are discussed

L'adhésion est un processus fondamental qui influence le déclenchement et le déroulement des processus pathologiques, notamment concernant les cellules circulantes aux parois vasculaires (réaction inflammatoire dans le flux sanguin). Sa compréhention nécessite la connaissance des mécanismes biologiques impliqués mais aussi d'un cadre physique de description du mouvement sous flux d'objets déformables en interaction avec une paroi. Notre travail utilise des systèmes modèles (vésicules, billes) pour identifier le rôle de paramètres de l'adhésion (densité, mobilité des ligands membranaires, déformabilité) sur le mouvement. Le système d'interaction développé est la chélation entre un ion nickel et deux histidines. L'imidazole, partie complexante de l'histidine, va permettre de réguler la force de l'interaction. Nous avons décrit le mouvement des lipides membranaires sous flux dans le cas de vésicules en interaction forte. On a mis en évidence la présence d'un flux surfacique dépendant de la forme de l'objet et de la force de l'adhésion. En régulant l'adhésion spécifique faible de billes, nous montrons la spécificité de l'interaction, des phénomènes originaux de capture, de détachement et de déplacement en adhésion sous écoulement de cisaillement.

Les nanomatériaux sont une classe de contaminants qui est de plus en plus présent dans l’environnement. Leur impact sur l’environnement dépendra de leur persistance, mobilité, toxicité et bioaccumulation. Chacun de ces paramètres dépendra de leur comportement physicochimique dans les eaux naturelles (i.e. dissolution et agglomération). L’objectif de cette étude est de comprendre l’agglomération et l’hétéroagglomération des nanoparticules d’argent dans l’environnement. Deux différentes sortes de nanoparticules d’argent (nAg; avec enrobage de citrate et avec enrobage d’acide polyacrylique) de 5 nm de diamètre ont été marquées de manière covalente à l’aide d’un marqueur fluorescent et ont été mélangées avec des colloïdes d’oxyde de silice (SiO2) ou d’argile (montmorillonite). L’homo- et hétéroagglomération des nAg ont été étudiés dans des conditions représentatives d’eaux douces naturelles (pH 7,0; force ionique 10 7 à 10-1 M de Ca2+). Les tailles ont été mesurées par spectroscopie de corrélation par fluorescence (FCS) et les résultats ont été confirmés à l’aide de la microscopie en champ sombre avec imagerie hyperspectrale (HSI). Les résultats ont démontrés que les nanoparticules d’argent à enrobage d’acide polyacrylique sont extrêmement stables sous toutes les conditions imposées, incluant la présence d’autres colloïdes et à des forces ioniques très élevées tandis que les nanoparticules d’argent avec enrobage de citrate ont formées des hétéroagrégats en présence des deux particules colloïdales.
Nanomaterials are a class of contaminants that are increasingly found in the natural environment. Their environmental risk will depend on their persistence, mobility, toxicity and bioaccumulation. Each of these parameters will depend strongly upon their physicochemical fate (dissolution, agglomeration) in natural waters. The goal of this paper is to understand the agglomeration and heteroagglomeration of silver nanoparticles in the environment. Two different silver nanoparticles (nAg; citrate coated and polyacrylic acid coated) with a diameter of 5 nm were covalently labelled with a fluorescent dye and then mixed with colloidal silicon oxides (SiO2) and clays (montmorillonite). The homo- and heteroagglomeration of the silver nanoparticles were then studied in waters that were representative of natural freshwaters (pH 7.0; ionic strength 10-7 to 10-1 M of Ca2+). Sizes were followed by fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and results were validated using enhanced darkfield microscopy with hyperspectral imaging (HSI). Results have demonstrated that the polyacrylic acid coated nAg was extremely stable under all conditions, including in the presence of other colloids and at high ionic strength, whereas the citrate coated nAg formed heteroagregates in the presence of both natural colloidal particles.

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.
Biofilms are primarily communities of microorganisms embedded in a complex exopolymer matrix. They are thought to play an important role as diffusive barriers in environmental systems and human health, resulting in increased resistance to disinfectants and antibiotics. Since mass transport in a biofilm is primarily due to molecular diffusion, it is critical to understand the main parameters influencing diffusive fluxes in a biofilm. In this thesis, a Pseudomonas fluorescens biofilm and two model hydrogels, (agarose and calcium alginate), were investigated. Both self-diffusion (Brownian motion) and mutual diffusion coefficients were quantified. Fluorescence correlation spectroscopy was used to measure the self-diffusion coefficients in a ca. 1 m3 confocal volume in the gels or biofilms, whereas a diffusion cell setup was employed for mutual diffusion measurements. In addition, microelectrode voltammetry was used to evaluate Donnan potential of the gels in order to determine its impact on diffusion. For the agarose hydrogel, the combined observations of a decreasing self-diffusion coefficient coupled with increasing mutual diffusion as a function of a decreasing ionic strength have been attributed to the gel’s Donnan potential. Measurements of the Donnan effect (difference of -30 mV between ionic strengths of 10-4 and 10-1 M) and the corresponding accumulation of ions in the hydrogel (13x enhancement with respect to the bulk solution) indicated that electrostatic interactions can strongly influence the diffusive flux of cations, even in a weakly charged hydrogel, such as agarose. Somewhat surprisingly, for a more highly charged gel such as calcium alginate, varying ionic strength and pH resulted in only small changes to the diffusion of charged probes in the hydrogel. These results suggested that the direct effect of the cations on gel structure (due to an induced swelling or compression) was much more effective than the Donnan effect when influencing solute diffusion. Similarly, for a bacterial biofilm, self-diffusion coefficients were virtually constant across a range of examined ionic strengths (10-4-10-1 M) for both negatively and positively charged small solutes (Db/Dw≈85%) and nanoparticles (Db/Dw≈50%), suggesting that the obstruction effect of the biofilms again overwhelmed the charge effect. The results of this work indicated that among the various major factors affecting diffusion in an oligotrophic environmental biofilm (steric exclusion, hydrophobic and electrostatic interactions), obstruction effects appeared to be the most important when attempting to understand the solute diffusion. While charge effects did not appear to be important to the self-diffusion of charged substrates in the alginate hydrogel or bacterial biofilm, they were key to understanding diffusion through another gel, with numerous biomedical and environmental applications, i.e. agarose. These results should be extremely useful when evaluating the bioavailability of the trace contaminants and nanoparticles in the environment.