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This work focuses on the creation of a new biocompatible reactor allowing the encapsulaion and the study of electroactive bacteria. Made by co-extrusion, this millimeter bioreactor is a liquid core capsule with a conducting hydrogel membrane. To create such an object, we formulate a composite hydrogel of alginate/carbon nanotubes in two steps. The first step is rapid and creates the hydrogel matrix by diffusion of divalent ions inside the alginate/carbon nanotubes mix. The second step is slower and permits the dialysis of the surfactant used to stabilize the nanotubes. During this last step, the carbone nanotube network percolates, creating a conducting network in the hydrogel for sufficient nanotube contents (above 0.5 wt%). This composite material has a macroscopic conductivity around 0.1 S.m^-1. An electrochemical study of this material allows to follow the nanotube connection inside the hydrogel. Bacteria can adhere on this composite hydrogel. Then, we demonstrate that the electroactivity of a biofilm developped on the inner side of the conductive capsule shell can be measured. This new biocompatible and electron-conducting compartment opens the way towards the development of a screening tool for the selection of electroactive bacteria but also brings innovative perspectives in the field of microbial fuel cells fabrication.
 

The aim of this work is to produce submillimetric aqueous-core caspules with a thin alginate hydrogel membrane. These biocompatible capsules can be used for biotechnological appli- cations. They are produced by the break-up of a compound jet with an aqueous core and an alginate shell. We showed that the co-flow inside the injector can exhibit an elastic instability in presence of cations. Growth media contain such cations. Alginate is a polyelectrolyte and cations change its viscoelastic properties. We showed that this instability results in a beating of the compound jet. The instability induces a displacement of the core fluid position which leads to an asymmetric velocity relaxation that creates a torque and finally bends the jet. We produced curved jets with a beveled capillary to evidence this effect. In this case, the fluid viscosity imposes the degree of asymmetry. The jet break-up is controlled by a piezoelectric actuator. We measured a decrease of the wave speed on the jet surface (due to law Weber numbers) and amplified speed dispersion. This dispersion is created by the formation of a beads-on-a-string structure and low distances variations between drops. The addition of sur- factants can create a dynamic surface tension at the jet interface that enhances this dispersion. Finally, we managed to produce submillimetric and monodisperse capsules with a size we can tune, a thin membrane and an encapsulation rate above 99%.

This work, in collaboration with Michelin for the fabrication of composite materials, deals with the colloidal stability of the latex of natural rubber (NR). The NR latex is a polydisperse colloidal dispersion of a bio-polymer in an aqueous serum. The particles are stabilized by a complex layer of phospholipids and proteins. This dispersion can be coagulated by a physical way (under shearing), or by a physical-chemicalway (addition of divalent cations or hydrophobic particles). In this thesis, we studied the coagulation of the NR latex by divalent cations with physical-chemical tools (stability diagrams with different cations, aggregation kinetic of particles, rheological measuremments). Then, the surface of NR particles has been characterized by electrophoresis, firstly in the presence surfactants and secondly depending on the particles size. From the results of the first part we suggest that the coagulation with divalent cations is due to a screening effect because of the increase of ionic strength and that divalent cations can bridge the particles together. This allows keeping them in contact. Adhesion between polymer chains near the surface ensures the irrversible cohesion. In a second time, we saw that the adsorption of surfactants changes the particles surface and the coagulation of NR latex with cations. A small difference of surface charge is observed between the biggest and the smallest NR particles. Finally, a similar behavior has been obtained with a synthetic latex in presence of divalent cations. Our results could be used to develop an industrial process based on this coagulation phenomenon.

Colloids are used in many applications such as contrast agents in MRI or magnetic immuno-agglutination in diagnosis. To improve their performance, the interaction between particles and biological media – in particular proteins – has been studied for more than 150 years; nevertheless this phenomenon is still not well described.
The first part of this thesis is dedicated to an application of colloids: detection of target proteins. Based on orientation of anisotropic magnetic aggregates, a new method has been developed, which generates a signal of aggregation, directly proportional to the amount of protein in the sample: lowering the detection limit. This technique has been validated on a real system: C-reactive protein.
The second part is dedicated to protein adsorption on colloids. The first objective was the development of a protocol to obtain reliable measurements; adsorption could then be characterized in a model system: bovine serum albumin and silica. Results obtained were thus able to dismiss certain paradoxes and to propose a new model.
Ultimately the studies reveal how proteins, by adsorbing between two particles, aggregate colloids. In sufficient quantities, they can also protect against aggregation, enabling a new method of particle stabilization.

Bacteria play a major role in our environment. Their ubiquity comes from their amazing ability to adapt to environmental conditions. Understand their adaptability can help to cure in fections or to use bacteria for biotechnology. The diversity of phenotypes within a population - different observable characters - and the diversification mechanisms contribute to the bacterial adaptability. In order to study the adaptation of bacteria, we followed the temporal evolution of diversity within populations of Escherichia coli through environmental transition. We get a picture of the diversity with a phenotyping tool in millifluidic allowing parallel acquisition of one thousand the bacteria growth curves. Through three examples, we show the potential of this approach to read the phenotypes within a population and we explore the roles of diversification and Darwinian selection on the dynamics of adaptation observed. The phase variation of the ag43 gene and the exposure to a non lethal concentration of antibiotic illustrate a first phase of adaptation governed by the competition between the phenotypes with the highest apparition probabilities. Finally we study the adaptation of a population in a depleted environment for thirty days. After fifteen days we observe a convergence towards a single phenotype. This determinism is common to all three examples. However, the end of the experiment is unpredictable: the observation is different for each repetition. It corresponds to a second phase of adaptation which is dominated by the rare appearance of beneficial mutations.

This work focuses on the study of physico-chemical properties of millimetric capsules having a liquid core and a thin alginate membrane.
First, we caracterized the diffusion of molecules through the hydrogel shell and estimated the cut-off radius of the semi-permeable membrane. Moreover, the leakage of small hydrophilic solutes can be limited by adding a hydrophobic shell between the aqueous core and the alginate membrane. We demonstrated that the characteristic time of transport is determined by the geometry of the system (hydrophobic shell thickness and capsule diameter)
and by the solubility and diffusion coefficient of the solute in the oil phase. Furthermore, swelling of a capsule under an osmotic pressure difference allowed us to identify the viscoelastic and viscoplastic regimes
of the membrane under stretching. We deduced the elastic modulus of the membrane which decreases above the plastic threshold. However, when capsules are compressed, the hydrogel is concentrated due to the irreversible evacuation of water. This leads to rigidification of its structure.
Then, we focused on the flow of oil-core capsules dispersed in water. There is a friction between capsules that we can control by adding surfactant. Thus we studied its role in the flow of capsules in the constriction of an hourglass. We showed that the flow is constant and does not depend on friction. It is established by the size of the constriction. Indeed, the flow is only determined by the hydrodynamic in fluid regime in
the hourglass' neck.

Superparamagnetic colloids are used in many studies to apply a force or a torque on biological systems such as cells or DNA molecules. The physical process by which magnetization appears in those beads, allowing them to exert forces, is still poorly understood. In a first part, with an original experimental setup based on optical anisotropy measurements, we show that the apparently magnetically isotropic
beads can orient themselves in a magnetic field. Equilibrium and out of equilibrium measurements allowed ,to develop a model explaining how a few big grains in the beads are responsible for the whole coupling. The robustness of this model lies in its generalization to several sizes of beads and its consistency with the properties of the ferrofluid used to make them. In a second part, the reaction of a few actin filaments to the pressure applied by superparamagnetic colloids is studied. This setup represents a direct way to probe the physical mechanism underlying the production of force by actin filaments polymerization in cellular motility. Controlling the filaments’ organization allows to study two ideal ideal situations. We experimentally show that in the former situation the polymerization velocity is independent of the applied force. This is no longer true in the latter situation where the filaments are verys ti. Thus, we experimentally show for the first time the eect of force on actin filaments polymerization. A Brownian ratchet based numerical model with no load sharing can describe the production of force in that case.

L'utilisation des antibiotiques est un procédé curatif très courant (parfois trop), utilisé contre les infections microbiennes. La désinfection d'agents pathogènes est précédée d'études portant sur l'action des antibiotiques à l'égard des bactéries. Les micro-organismes possèdent naturellement une résistance à un sous dosage en antibiotique. Il existe une concentration minimale en antibiotique, relative à chaque espèce microbienne, à partir de laquelle il est possible d'inhiber les organismes. Cette concentration seuil est appelée la Concentration Minimale Inhibitrice (CMI), c'est un critère essentiel à la détermination de la posologie d'un antibiotique.En ce qui concerne la détermination de la CMI d'un antibiotique sur un organisme, les méthodes de mesures se révèlent fastidieuses à mettre en place, et possèdent une faible résolution. Ces méthodes ont très peu évolué depuis leur création, seules des machineries automatisées ont pu faciliter les manipulations. L'utilisation de ces outils révèle que la CMI d'un antibiotique sur un organisme, dépend de la densité initiale de la population bactérienne. Mais surtout que cette dépendance n'est pas linéaire.

Au cours de ma thèse, nous avons développé un procédé expérimental permettant de mesurer la CMI d'un antibiotique. Le dispositif est fondé sur l'utilisation de la milli-fluidique pour concevoir des gouttes d'émulsion, qui sont les échantillons de mesures gérés de manière automatisée. L'utilisation de cette méthodologie a été réservée à la conception d'un gradient de concentration en antibiotique. Chaque échantillon, d'un train d'un millier de gouttes, contenant une quantité en antibiotique différente de sa voisine.Ce procédé donne la faculté de simplifier l'échantillonnage par rapport aux méthodes usuelles. Il permet de contrôler de manière précise l'environnement direct des cellules, et également d'identifier chaque échantillon. Donnant ainsi la capacité d'observer la dynamique de croissance dans les gouttes, et l'influence des paramètres environnementaux. La machine ainsi utilisée a permis d'affirmer et de compléter les informations de dépendance non linéaire entre la CMI et la densité initiale de cellules pour un couple antibiotique/bactérie.

Nous avons mis au point un système expérimental modèle d'adhésion spécifique entre deux surfaces fluides sur lesquelles diffusent des protéines de type ligand-récepteur. Nous avons notamment voulu relier la mesure d'une énergie d'adhésion macroscopique à son moteur microscopique, la formation de liens spécifiques. Pour mesurer une énergie macroscopique d'adhésion, nous avons utilisé des gouttelettes d'émulsion. Lorsqu'elles adhèrent, les gouttelettes se déforment. Le gain de surface permet d'accéder à l'énergie d'adhésion. Comme moteur de l'adhésion spécifique, nous avons utilisé le couple modèle streptavidine/biotine. Les gouttelettes d'émulsion sont fonctionnalisées avec ces protéines ligantes. Amenées par gravité en présence de bicouches lipidiques supportées fluides dont une fraction des lipides porte les protéines réceptrices, les gouttelettes adhèrent spécifiquement aux bicouches lipidiques. Nous avons mené une étude statique de cette adhésion. Grâce à différentes techniques de fluorescence (épifluorescence, FCS (Fluorescence Correlation Spectroscopy), dosages en retour) nous avons quantifié le nombre de protéines mises en jeu dans nos patches adhésifs afin de le comparer à l'énergie de déformation de la goutte. Nous avons pu observer que l'énergie d'adhésion est proportionnelle à l'énergie d'un lien. Par ailleurs, des mesures en RICM (Reflection Iterference Contrast Microscopy) nous ont permis d'étudier la dynamique de croissance du patch adhésif. Nous avons pu mettre en évidence une croissance diffusive et quasistatique de la zone de contact. En jouant sur les quantités de protéines mises en jeu ainsi que sur leur nature (longueur des liens), nous avons exploré les différentes situations statiques et dynamiques de l'adhésion dans notre système modèle. Nous avons notamment mis en évidence les effets de compressibilité des films adhésifs qui apportent de nouvelles clés pour envisager l'adhésion cellulaire.

Les travaux accomplis au cours de cette thèse au Laboratoire de Colloïdes et Matériaux Divisés résultent d'une volonté de développer et d'utiliser des outils physico-chimiques pour la compréhension de problématiques biologiques. Nous avons choisi comme objet d'étude ce champignon unicellulaire extraordinaire qu'est la levure Saccharomyces cerevisiae. En particulier nous nous sommes intéressés à la fermentation alcoolique à travers la mesure d'un des paramètres du métabolisme : l'énergie de maintenance. Les résultats obtenus s'articulent autour de deux réalisations principales. *** Développement d'un outil de mesure original : Nous avons mis au point un système physico-chimique qui permet de mesurer la polymérisation ou la dépolymérisation au sein de microréservoirs de quelques dizaines de picolitres . Le principe repose sur l'osmose, c'est-à-dire la di usion, à travers une membrane semi-perméable, de solvant entre des réservoirs qui possèdent des potentiels chimiques di érents. Pour réaliser ce système nous avons fabriqué un réseau de gouttes d'émulsion inverse qui constituent des microréservoirs dans lesquels nous avons encapsulé les levures. Les gouttes ont été organisées en un réseau bi-dimensionnel qui nous a permis de suivre des cinétiques de croissance sur un grand nombre d'échantillons (haut débit). Nous avons alors élaboré une nouvelle formulation de l'émulsion afin de rendre les gouttes adhésives entre elles. Ceci nous a permis d'imposer les dimensions et les propriétés de transport à l'intérieur des membranes semi-perméables ainsi formées entre les gouttes en contact. Nous avons alors démontré qu'en imposant des potentiels chimiques constants dans le réseau de gouttes, nous pouvions suivre, à travers l'évolution de leur volumes, la cinétique de processus de polymérisation (création de biomasse dans le cas de la levure) et de dépolymérisation (dans le cas de la lyse enzymatique) qui ont lieu dans des réservoirs. *** Mesure directe de l'énergie de maintenance : Nous avons utilisé notre outil pour mesurer la consommation du glucose par S. cerevisiae lors de la fermentation alcoolique en milieu anaérobie. Nous avons ainsi distingué deux comportements suivant que les cellules se divisent ou qu'elles sont en phase stationnaire. Nous avons développé un modèle qui nous a permis d'expliquer les comportements observés en fonction des paramètres expérimentaux (concentration en sucre, transport) et du métabolisme de la levure. Nous nous sommes alors rendu compte qu'en imposant le réactif limitant nous pouvions mesurer l'énergie de maintenance, c'est-à-dire l'énergie qui n'est pas utilisée pour la division cellulaire. Nous avons enfin mesuré le taux de consommation de glucose pour trois souches différentes. Nous avons ainsi montrer qu'il était possible d'identifier des souches selon leur capacité à métaboliser le glucose. Nous nous sommes alors interrogés sur la possibilité de cribler à haut débit des souches capables de métaboliser des sucres différents. Aussi, nous pouvons envisager, pour augmenter la taille de la librairie à trier, une approche 3D. Les gouttes sont collectées dans une seringue dans laquelle le mûrissement entre les gouttes se produit. Elles sont alors réinjectées dans un microsystème contenant une centaine de zones de tri. Avec un débit d'injection des gouttes de 10kHz, sachant qu'une goutte sur 10 contient une levure, on peut alors cribler une librairie de 108 individus différents en moins de 30 minutes. *** Au total : Le principe de mûrissement des gouttes développé dans cette thèse peut s'appliquer à tout processus qui se traduit par une modification du nombre d'espèces osmotiquement actives. On peut donc envisager de l'utiliser pour un champ vaste d'applications telle que la recherche de nouvelles enzymes de protéolyse. Enfin, nous aimerions attirer l'attention du lecteur sur l'aspect statistique de cette méthode. Elle offre la possibilité d'étudier des processus de sécrétion ou d'assimilation de plusieurs milliers d'individus isolés. Ainsi, des questions telles que la variabilité entre individus vont pouvoir être abordées.

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Les tests de diagnostic ont pour but de détecter et de quantifier un ou plusieurs analytes en milieu complexe. Depuis les années 80, leur évolution s'est concentrée sur la détection de très faibles quantités d'analytes. Actuellement, cette ligne directrice subsiste mais en parallèle les développements se portent sur de nouveaux objectifs comme la mise au point de tests simples, rapides, transportables et sensibles afin de répondre au mieux aux attentes des nouveaux marchés : le point of care et les pays émergents. Au cours de ce travail, nous nous sommes confrontés à ces nouvelles problématiques. Nous avons choisi d'améliorer la sensibilité du test d'agglutination magnétique précédemment développé au laboratoire en raison de sa simplicité (test homogène) et de sa rapidité (manipulation de billes magnétiques). Nous avons montré que deux paramètres conditionnaient le seuil de détection de ce test à savoir le bruit (variabilité du signal sans antigène) et le signal émis par les billes. Le premier facteur dépend principalement du nombre de billes et le deuxième nous a amené à travailler avec de grandes billes nécessitant une nouvelle méthode de détection, la cytométrie en flux. Le gain en sensibilité n'a pas été clairement démontré en raison de la très faible réactivité des billes utilisées (500 fois moins réactives que les billes "habituelles"). Une chose est sûre, de grandes billes améliorent le signal, la cinétique et la thermodynamique au détriment d'une plus faible mobilité des objets sous champ. Sous couvert d'une bonne réactivité, nous nous sommes aperçus que la première étape de notre test d'agglutination devenait thermodynamiquement et cinétiquement limitante aux faibles concentrations en analyte. Dans le cadre du projet européen DetectHIV, nous avons essayé d'une part de franchir ces barrières à travers un système microfluidique et d'autre part de mettre au point un test complètement intégré. De nouvelles technologies ont vu le jour à l'EPFL (plug magnétique) et à DTU (cytométrie sur puce). Le système développé par l'EPFL est thermodynamiquement favorable, valide l'idée de préconcentration mais nécessiterait un nouveau dimensionnement fluidique pour réellement supplanter les tests en volume. L'intégration, quant à elle, a permis d'acquérir un certain savoir faire dans le domaine de la microfluidique, d'identifier les verrous technologiques et de développer un nouveau mode de circulation des fluides. Pour conclure, ce travail a permis de cerner l'évolution possible des tests d'agglutination magnétique. La sensibilité du test originel c'est-à-dire en volume couplé à une détection turbidimétrique est fixée par le bruit de l'appareil de mesure. Ce paramètre étant peu optimisable, seule une augmentation de la taille des billes permettrait d'augmenter significativement la sensibilité du test (un facteur 10 en théorie). Au delà, une détection individuelle des objets via la cytométrie est nécessaire. D'une part, elle permet de travailler avec de gros objets afin d'amplifier grandement le signal et d'autre part, elle permet de s'affranchir du bruit de l'appareil de mesure. Le bruit mesuré est uniquement dû à la comptabilisation des populations, bruit inhérent au test de diagnostic. Avec cette configuration, un gain de sensibilité passe par une diminution du non-spécifique (relatif au comptage des populations) et par une augmentation de la réactivité des "grosses" billes. En dessous de la dizaine de femtomoles, la formation de complexe n'est plus assurée et devient longue, un changement de format fluidique est alors nécessaire. Le nouveau format fluidique testé, la microfluidique, s'avère très prometteur à condition d'intégrer une méthode de détection (cytométrique ou autre) et d'augmenter les débits.

Grâce à la microfluidique, la stabilité et les propriétés de deux types d'émulsions ont pu être sondées. Il s'agit d' émulsions non adhésives et d'émulsions adhésives. Les points importants des différentes thématiques abordées sont résumés dans les paragraphes suivants. – La déstabilisation hydrodynamique d'une émulsion : La fusion de gouttes proches est favorisée par leur séparation. En réalité les gouttes sont localement rapprochées car une dépression se crée lors de leur éloignement. Cela les oblige à former localement des bourgeons qui les rendent plus proches. – La déstabilisation d'une émulsion par un champ électrique : L'état de coalescence temporaire a été mis en évidence. Un diagramme de coalescence de paires a été établi. Pour des trains de gouttes, le diagramme de stabilité coïncide avec celui de paires. La seule différence est observée pour des temps d'excitation plus courts que le temps de relaxation des charges. Dans ce cas, la "coalescence partielle" est remplacée par une simple coalescence. – La caractérisation d'émulsions inverses adhésives : La technique pour former une émulsion inverse très adhésive, c'est de la former très peu adhésive et d'évaporer le bon solvant. Les bicouches artificielles formées avec ces émulsions miment presque toutes les propriétés des membranes biologique. Suivant la quantité de mauvais solvant, elles peuvent se présenter sous forme gaz, fluide ou gel. – La perméabilité des bicouches artificielles : Avec un choc osmotique, la perméabilité à l'eau de ces bicouches a été mis en évidence. Elles sont faiblement perméables aux ions. Avec un champ électrique, leur perméabilité aux ions est possible grâce à la formation de pores à travers elles. Un diagramme d'électroporation s'en est suivi. Pour les deux moteurs de perméabilité, le constat principal est la variation notable de la perméabilité instantanée lors d'une transition de phase dans les bicouches. Ces résultats sont très intéressants et montrent à quel point les émulsions en générale regorge encore de secrets. Pour les émulsions adhésives, les comportements que nous avons observés sur les trains de gouttes sont déjà très surprenants. Nous pouvons nous attendre à des comportements encore plus surprenants dans le cas d'émulsions macroscopiques. En outre, ces effets sont généralement "contre-intuitifs" : la déstabilisation d'une émulsion dense est facilitée par sa décompression ! la séparation des phases huileuses et aqueuses d'une émulsion de pétrole est optimale pour une application d'un champ électrique pas très élevé (un champ électrique élevé entraîne la "coalescence partielle" des gouttes)... Tous ces comportements "contre intuitifs" peuvent être très utiles pour des applications futures dans le domaine des matériaux. En ce qui concerne les émulsions adhésives, les résultats établis ici sont très prometteurs. Elles permettent de mimer les membranes biologiques. Grâce à la perméabilité des membranes artificielles formées, nous pouvons imaginer des gouttes, très concentrées en ions, qui seraient des pompes à solvant : elle permettraient, par exemple, de changer des concentrations de microréacteurs... En ce qui concerne l'électroporation, les expériences peuvent encore être peaufinées. La prochaine étape sera certainement de contrôler directement le potentiel des gouttes, par des pointes par exemple. Cela éviterait, en effet, leur séparation. Dans ce cas, il est clair que le mécanisme d'électroporation pourrait avoir une réelle valeur ajoutée car les réservoirs seront figés et des échanges pourraient se faire. On pourrait espérer ainsi réaliser des expériences d'insertion de molécules dans des gouttes, par électroporation, comme cela existe actuellement pour des vésicules.

Several biological mechanisms use polymerization of actin filaments as mechanical motor. The chemical energy released with the addition of a monomer in the filament is converted into mechanical work thereby generating a force. Filaments are regulated by actin binding proteins, and form structures that possess different mechanical and elastical properties, and also different functions in the biological processes. Our experimental setup permits to study the link between the mechanical properties and the mechanisms that produce a force. The polymerization of actin filaments is directly initiated on the surface of magnetic particles. Within a magnetic field, particles organize themselves in a chain due to dipole-dipole interactions, and a compressive force is induced on the polymerizing filaments. Polymerization pushes the particles apart over time and as a function of the applied force, the velocity of the particles gap slows down. While following the evolution of the distance between particles, we obtain information on the force-velocity profile and the mechanical properties of the filaments.

Nanomedecine represents the application field of nanotechnology, and more especially
nanoparticles, to medicine. This new domain is promising in particular for the detection and
treatment of infectious, genetic and cancer pathologies. We have developed new
biocompatible nanoparticles, and evaluated their potential as nanocarriers for therapeutic or
diagnostic agents thanks to in vivo fluorescence imaging. These particles are oil in water
nanoemulsions, which diameter is less than an hundred nanometers, stabilized by a mixture of
phospholipids and stealth agents. The encapsulation of organic dyes with absorbing and
emitting wavelengths suitable for in vivo fluorescence imaging, allows the follow up of the
nanoemulsions after their injection in mice models. Fluorescent stealth nanoemulsions can
also be functionalized in order to covalently link onto their surface targeting ligands, such as
the cRGD peptide. Indeed, cRGD functionalized nanoemulsions exhibit in vitro specific
adhesion with cells expressing αvβ3 integrine, an angiogenic biomarker. The particle uptake,
either passive and/or cRGD-mediated, in different tumor models bear by Nude mice, is
observed using non invasive fluorescence imaging.

Le travail de recherche exposé dans cette thèse, montre dans la premier partie la mise en oeuvre de la méthode d'émulsification pour la préparation de petits agrégats de forme anisotrope monodisperse et de forme géométrique bien définie et on a montré que la maîtrise des paramètres de la formulation permet la sélection et la production d'un maximum d'agrégats de formes données (dimère, trimère, tétramère). On a montré la faisabilité et la possibilité d'assembler tête-tête les différents types d'agrégats de façon organisée et directionnelle, grâce à la fonctionnalisation des têtes des agrégats, avec des fonctions réactives utilisant la force d'adhésion spécifique (couple biotine/streptavidine). En deuxième partie, on a fait intervenir des forces magnétiques pour forcer et accélérer le processus d'assemblage par rapport à des forces spécifiques qui sont basées sur les effets de diffusion ; on a montré la formation de chaînes colloïdales de structure variable avec la mise en évidence des effets de relaxation sur les chaînes, rotation et torsion, qui dépendent de l'intensité de champ appliqué et de la morphologie des particules (Janus avec une partie magnétique, doublets avec un anneau). Enfin, nous avons conçu des doublets asymétriques avec des anneaux magnétiques qui engendrent la formation de chaînes chirales sous forme d'hélice. Et on a mis en évidence l'analogie entre les colloïdes et les macromolécules sur le plan structural par un simple auto-assemblage.

e domaine de l’évolution dirigée regroupe des approches technologiques s’inspirant, en laboratoire et à l’échelle moléculaire, de l’évolution Darwinienne. Grâce à des algorithmes moléculaires stochastiques, on peut ainsi améliorer des protéines existantes ou même créer de nouvelles protéines. Dans une première partie, les différentes façons de générer de la diversité génétique sont introduites, ainsi que notre contribution au développement d’une technologie de mutagenèse dirigée très haut débit (MM). En particulier, deux variants deMMsont présentés :MMC, une méthode utilisant de très larges banques d’oligonucléotides synthétisés en parallèle sur des puces à ADN et MMS, une méthode de recombinaison in vitro circulaire simple et efficace. Dans une deuxième partie, après avoir rappellé les différentes modalités de tri des protéines améliorées, on présente notre contribution au domaine naissant et prometteur du criblage haut-débit en émulsion d’activité catalytique . On décrit les premières étapes de la validation d’une méthode de criblage bidimensionnel d’une émulsion inverse cristallisable. Appliquée à l’évolution moléculaire, cette nouvelle technologie pourrait permettre d’augmenter de plusieurs ordres de grandeur le débit des meilleures techniques actuelles par cytométrie de flux. Sont également évoquées, dans une troisième partie, d’autres applications de cette technique de criblage à plat d’émulsions cristallisées dans le domaine du diagnostic et pour l’analyse du cycle cellulaire

A new general methodology based on magnetic colloids to study the recognition kinetics of tethered biomolecules is introduced here. By tuning the architecture of the tethers that link molecules to surfaces, we explain the large diversity of observed association times. We thus studied the association kinetics between a streptavidin and a biotin grafted on two opposite surfaces. We also considered the case of cellular adhesion molecules, the cadherins, for which we measured an association kinetic constant smaller than that of the strepatividin-biotin interaction.

We explored the ability of emulsion droplets to bind specifically solid model substrates and we study the relationship between drop composition and the contact angle. We developed a in-sisu method to graft covalently biotin and streptavidin on the O/W emulsion interface. We characterized the size distribution and the surface density of the streptavidine by flow cytometry. We showed that the contact angle and the adhesion energy grow linearly with the biotin density on the glass coverslip, and we observed a different patterning (disk, ring) of the streptavidin within the adhesion patch, depending on the PEG density on the surface. This result suggest a 2D phase transition of the proteins.

Ce manuscrit présente l'étude de la stabilité et des propriétés d'encapsulation et de relargage des émulsions doubles cristallisables. Notre démarche a été de remplacer l'huile liquide classiquement utilisée pour les émulsions doubles par une huile solide à température ambiante. Une barrière répulsive stérique assure la stabilité de ces objets au repos. Sous écoulement, les objets s'agrègent : l'énergie fournie par le cisaillement réduit la barrière répulsive alors comparable à kT et facilement franchissable. Ceci se traduit par une dépendance exponentielle du temps caractéristique d'agrégation avec le taux de cisaillement. Sous régime iso-osmotique, la nature solide de la membrane ralentit les cinétiques de libération par diffusion des espèces initialement encapsulées. Sous régime hypo-osmotique, le matériau solide libère rapidement l'espèce encapsulée. Les processus mis en jeu et les différents paramètres permettant de contrôler les cinétiques de libération ont été identifiés.

The manuscript is devoted to two applications of chains of magnetic particles.
The first chapter reports the design of force sensors between colloids. Various experiments are designed and performed to characterise the particles under investigation. Our experimental setup and signal processing techniques are described in detail. Finally, we compare this technique to previous ones.
The second chapter describes the design and fabrication of the first microscopic artificial swimmers. Flexible magnetic filaments are created by aligning magnetic particles under a magnetic field and gluing them together by means of DNA strands. Their behaviour under a magnetic field is investigated. Subjected to an oscillating magnetic field, the filaments experience deformations so that a wave propagates along them, thereby generating a propulsive force, which we demonstrate through the motion of a spermatomorphic swimmer. Theoretical and numerical predictions are validated experimentally.

This manuscript introduces the study of self-assembled magnetic latexes. First, we present a method to obtain magnetic filaments made of magnetic particles and linkers. These objects provide a new micromechanical approach to probe bending rigidity at the molecular scale. Under a magnetic field, they adopt a hairpin configuration. Measuring the hairpin curvature as a function of the field intensity and the linker length allows us to deduce the linker bending rigidity. Second, these filaments can be self-organized in a microchannel to provide a new matrix for cell sorting. Control of the spacing between filaments, anchoring, and functionnalization with specific antibodies are described, together with the feasability for performing cell chromatography with the system. These new objects introduce a wide field of very promising biomedical applications e.g. for lab-on-chip devices.