RMN sous illumination : un outil puissant pour comprendre et améliorer les propriétés de protéines fluorescentes photo-commutables

L'étudiant recruté étudiera les mécanismes photophysiques des protéines fluorescentes (RSFPs) réversiblement photo-commutables en utilisant la spectroscopie RMN en solution couplée à une illumination in situ et à une pression d'oxygène variable. Les RSFP sont capables de passer d'un état fluorescent à un état non fluorescent sous l'effet d'une illumination spécifique, et ont favorisé de nombreux types d'applications d'imagerie, y compris les méthodes de super-résolution. La spectroscopie RMN multidimensionnelle est une technique de résolution atomique particulièrement puissante qui fournit des informations détaillées sur la dynamique conformationnelle des protéines, ainsi que sur la chimie locale (états de protonation, liaisons H, ...) impliquée dans la photophysique du chomophore au sein de l'échafaudage protéique. Dans ce projet de thèse, nous allons améliorer notre dispositif d'illumination RMN in situ en ajoutant des capacités telles que des longueurs d'onde supplémentaires de sources lumineuses émettrices, la détection de la fluorescence et le contrôle de la pression de l'oxygène. Cela permettra de corréler directement la dynamique conformationnelle de divers états avec leurs propriétés photophysiques, ainsi que l'effet de l'oxygène sur la formation d'états triplets et le photoblanchiment. Nous appliquerons cette méthodologie RMN à plusieurs modèles de RSFP verts et rouges, ainsi qu'à des systèmes FAST. L'objectif est de contribuer à la connaissance fondamentale de ces marqueurs fluorescents et de concevoir des variantes améliorées.

Comprendre les protéines fluorescentes photo-commutables rouges

L'imagerie par fluorescence est essentielle pour percer les secrets de la vie et a grandement bénéficié de la découverte des protéines fluorescentes (PF). Les protéines fluorescentes réversiblement commutables (RSFP, https://doi.org/10.1002/iub.1023) sont capables de passer d'un état fluorescent à un état non fluorescent sous l'effet d'une illumination spécifique, et ont favorisé de nombreuses applications en imagerie, notamment certaines méthodes de super-résolution. Cependant, les RSFPs sont encore imparfaites : par exemple, leur brillance est limitée, leur cinétique de commutation dépend des conditions environnementales et leur résistance au photoblanchiment est insuffisante. En particulier, alors que les RSFPs vertes sont relativement performantes, les RSFPs rouges sont à la traîne. Les performances de commutation des RSFPs vertes et rouges sont liées à leurs propriétés dynamiques et peuvent être étudiées en combinant des approches de biologie structurale, telles que la cristallographie cinétique aux rayons X, avec la spectroscopie optique et l'imagerie de fluorescence (doi : 10.1038/s41592-019-0462-3). Dans le projet proposé, ces techniques seront utilisées pour mieux comprendre les RSFP rouges et faciliter leur ingénierie rationnelle pour développer des variants plus lumineux et photo-résistants. L'étudiant(e) recruté(e) travaillera en étroite collaboration avec un autre doctorant en cours de recrutement, qui abordera les mêmes questions en utilisant la RMN.

Les candidats devront montrer un intérêt marqué pour l'interface entre la physique, la chimie et la biologie. Une connaissance de la microscopie à fluorescence avancée et/ou de la cristallographie aux rayons X est requise. Une expérience préliminaire en analyse d'images, biochimie, biologie cellulaire et/ou moléculaire sera appréciée.

Etude du mécanisme de photoactivation de la protéine caroténoïde orange par cristallographie femtoseconde en série résolue dans le temps

La protéine caroténoïde orange (OCP) est une protéine photoactive impliquée dans la photoprotection des cyanobactéries. Récemment, un mécanisme de photoactivation a été proposé, dans lequel l'état S2 initialement excité produit plusieurs états excités caractérisés par des durées de vie distinctes (ICT, S1, S*), mais aucune confirmation structurale n’a pu être apportée à ce jour. Un seul de ces états excités est le précurseur de l'état biologiquement actif de l’OCP, formé à l’échelle de la seconde. Afin de comprendre le mode d’action de l’OCP, nous proposons de la « filmer en pleine action », grâce à la cristallographie résolue en temps. Spécifiquement, nous proposons de caractériser les structures des états intermédiaires formés de l’échelle de la femtoseconde à la milliseconde, en réalisant une expérience de cristallographie résolue en temps ultra-courts. Cette expérience rééquerrera l’utilisation d’un laser à électrons libres (XFEL). Parallèlement, nous utiliserons la nouvelle ligne de lumière ID29 de l’ESRF, dédiée à la cristallographie résolue en temps, pour déterminer les structures des états intermédiaires se formant ultérieurement, de l'échelle de la milliseconde à la seconde. Notre projet de biologie structurale intégrée permettra de visualiser les changements conformationnels subis par l’OCP lors de sa photoactivation, de l'échelle photochimique (centaines de femtosecondes) à l'échelle photobiologique (secondes). Il ouvrira ainsi la voie à une compréhension détaillée du mécanisme de photoactivation et à l’exploitation de l’OCP en optogénétique ou comme « fusible moléculaire » dans les systèmes photosynthétiques biomimétiques.

Biosynthèse et évaluation fonctionnelle de nouveaux peptides antimicrobiens issus de microbiomes intestinaux de mammifères

L’OMS a identifié la résistance aux antibiotiques comme étant l’une des menaces majeures pour la santé humaine. Selon les prédictions, le nombre de décès en lien avec l’antibiorésistance est estimée à 10 millions par an en 2050. Cette situation amène les scientifiques à trouver de nouvelles molécules, idéalement naturelles, dont la structure et le mode d’action diffèrent par rapport aux antibiotiques conventionnels, pour pallier les phénomènes de résistance. Une alternative prometteuse concerne les peptides antimicrobiens de la famille des RiPPs (ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides) produits par des bactéries. De nombreux travaux montrent que le microbiome intestinal joue un rôle très important dans la santé de l’hôte. Parmi les mécanismes mis en œuvre, la production de peptides antimicrobiens apparait importante. Une partie de nos travaux, menés en collaboration, vise à identifier des nouveaux peptides antimicrobiens issus d’écosystèmes biologiques complexes par des méthodes de métagénomique. A ce jour, nous avons identifié une dizaine de séquences potentiellement intéressantes. Dans ce projet, nous nous intéresserons à la biosynthèse des peptides antimicrobiens ainsi qu’à leur caractérisation biochimique et structurale. Une partie importante du sujet sera consacrée à l'activité biologique de ces composés sur des pathogènes résistantes et multi-résistants aux antibiotiques conventionnels. Le mode d'action ainsi que la toxicité seront abordés pour les peptides les plus efficaces

Nanostructures Silicium 3D/ALD recouvertes de polymères conducteurs pour des micro-supercondensateurs tout solides et flexibles.

L’objectif de ce travail de thèse concerne l’élaboration et l’étude de micro-supercondensateurs (micro-SC) tout solides, flexibles, ultra performants et durables. Ces micro-générateurs innovants tout solides fonctionneront sur une grande plage de température (-50°C à +120°C) et présenteront une durée de vie et des performances exceptionnelles. Les micro-SC tout solides proposés dans ce projet s’appuient sur
i)la réalisation par croissance CVD d’électrodes composées de nanofils et nanoarbres de silicium suivi d’un dépôt nanométrique d’un diélectrique et de nouveaux polymère conducteur électronique,
ii) Elaboration et caractérisations de nouveaux copolymères à base d’EDOT de type n
iii) la synthèse d’électrolytes solides polymères (ESPs) à base de poly(siloxane)s,
iv) les tests de performances des différentes électrodes et électrolytes en configuration de type systèmes à trois électrodes,
v) élaboration de nanocomposites à base des polymères conducteurs électroniques à base d’EDOT et de nanofils de silicium recouvert de couches nanométriques d’alumine et de HfO2 de et
vi) l’assemblage et tests de dispositifs en configuration de type sandwich rigide puis flexible.

Calcul fiable en mémoire et mise en œuvre de réseaux neuronaux stochastiques à très faible consommation d'énergie inspirés de la biologie

La résolution automatisée des tâches cognitives repose principalement sur des algorithmes d'apprentissage appliqués aux réseaux neuronaux qui, lorsqu'ils sont exécutés sur des architectures numériques CMOS standard, entraînent une consommation d'énergie supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle dont le cerveau aurait besoin. En outre, les solutions conventionnelles de réseaux neuronaux Edge ne peuvent fournir que des prédictions de sortie et ne sont pas en mesure de transmettre avec précision l'incertitude des prédictions en raison de leurs paramètres déterministes et des activations des neurones, ce qui donne lieu à des prédictions trop sûres. Pouvoir modéliser et calculer l'incertitude d'une prédiction donnée permet à l'utilisateur de prendre de meilleures décisions (par exemple, dans les processus de classification ou de prise de décision) qui peuvent donc être expliquées, ce qui est crucial dans une variété d'applications, telles que les tâches critiques pour la sécurité (par exemple, les véhicules autonomes, le diagnostic et le traitement médicaux, la robotique industrielle et les systèmes financiers). Le réseau neuronal probabiliste est une solution possible pour traiter la prédiction de l'incertitude. En outre, la consommation d'énergie peut être considérablement réduite en utilisant des systèmes informatiques matériels dont les architectures s'inspirent de modèles biologiques ou physiques. Ils sont principalement basés sur des nanodispositifs imitant les propriétés des neurones telles que l'émission de pointes stochastiques ou synchrones. De nombreuses propositions théoriques ont montré que les dispositifs spintroniques nanométriques (MTJ) sont particulièrement bien adaptés. Ils peuvent être utilisés comme composants stochastiques ou déterministes.

Décryptage à résolution atomique du paysage énergétique complexe de la chaperone humaine HSP90 à l'aide d'outils de RMN et d'IA avancés.

HSP90 est une chaperonne humaine impliquée dans le repliement d'une grande variété de protéines clientes, y compris de nombreuses protéines oncogènes. Cette machinerie moléculaire complexe est connue pour avoir des réarrangements conformationnels massifs tout au long de son cycle fonctionnel. La cristallographie aux rayons X et la cryoEM ont fourni des structures instantanées à haute résolution de cette machine humaine en complexe avec des co-chaperones et des protéines clientes, mais n'ont pas réussi à fournir les informations cinétiques et résolues dans le temps nécessaires à une compréhension complète de son mécanisme. Nous prévoyons d'utiliser des expériences de RMN combinées à un nouvel outil d'analyse amélioré par l'IA pour obtenir une image détaillée du paysage énergétique de cette cible médicamenteuse importante. Ce projet permettra d'obtenir des informations structurales sur les différents états excités de HSP90 et la dynamique conformationnelle entre ces états. En collaboration avec l'industrie pharmaceutique, nous exploiterons cette nouvelle approche pour révéler comment les ligands peuvent moduler le paysage énergétique et la population des différents états fonctionnels. Ces informations seront particulièrement utiles pour la conception de nouveaux médicaments capables de bloquer la chaperone HSP90 dans un seul état, une étape importante vers le développement de médicaments plus spécifiques et plus efficaces.

Étude des matériaux émergents comme sélecteur de commutation pour la technologie MRAM

L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouveaux matériaux de sélecteur à commutation de seuil (TSS) pour les technologies émergentes MRAM (Magnetic Random-Access Memory). Un sélecteur est un dispositif simple à deux terminaux, se comportant comme un interrupteur ou une diode qui s'allume au-dessus d'une certaine tension et reste éteint dans le cas contraire. Lorsqu'il est associé à un élément de mémoire, il empêche les courants parasites dans les cellules de mémoire non sélectionnées, ce qui permet d'obtenir des mémoires plus denses. En outre, le TSS vise à remplacer le transistor de sélection et à réduire le nombre de vias à connecter au CMOS, ce qui permet d'économiser de l'énergie et de la surface.
Pour que le TSS soit compatible avec la MRAM, il est essentiel de développer de nouveaux matériaux de sélection qui correspondent aux caractéristiques de la jonction tunnel magnétique (MTJ). Par exemple, le commutateur à seuil d'Ovonic (OTS) utilisé avec la PC-RAM à changement de phase (en production) a une tension de seuil supérieure à 2V. Cette tension est trop élevée pour la MTJ. Cette tension est trop élevée pour les MTJ qui doivent fonctionner en dessous de 1V pour éviter de dégrader la barrière tunnel en MgO.

Développement de FPGA spintronique non volatil pour applications spatiales

En microélectronique, on peut distinguer deux types de circuits intégrés. Les ASIC (Application Specific Integrated Circuit) dédié à une seule application et les FPGA (Field Programmable Gate Array) dédiés à l'électronique numérique, sur lequel nous nous concentrons pour cette thèse. Le principal avantage des FPGA est qu'ils sont reprogrammables. Ces circuits sont composés de plusieurs cellules logiques élémentaires, interconnectées entre elles via un système d'interconnexions programmable. Un FPGA est ainsi principalement composé d'éléments mémoire pour programmer les fonctionnalités du circuit, les rendant particulièrement sensibles aux rayonnements, puisqu'un défaut survenant dans la mémoire modifie le fonctionnement du FPGA de façon permanente. Les FPGA traditionnels sont basés sur des mémoires SRAM ou Flash. Le but de cette thèse est d'évaluer l'utilisation de la MRAM, avec les technologies STT (Spin Transfer Torque) et SOT (Spin Orbit Torque) qui sont aujourd'hui 2 technologies très prometteuses pour des applications de mémoires dense et/ou rapide, comme mémoire de configuration et d'interconnexion pour les FPGA et notamment comme moyen d'améliorer/simplifier la mise en œuvre des techniques de durcissement standards pour les applications spatiales tout en réduisant le coût grâce à sa densité. L'intégration de MRAM dans des FPGAs durci a été étudié sur la technologie MRAM TAS (Thermally Assisted Switching) qui aujourd'hui n'est plus du tout utilisée pour des applications de type mémoire. Le travail consistera à insérer des composants magnétiques dit jonction tunnel magnétique, à plusieurs niveau et d'en évaluer l'intérêt. Pour cela, plusieurs outils de simulation seront utilisés afin d'injecter des particules présentes dans l'espace à différents endroits du circuits et comparer les résultats avec une version classique. Ainsi, il sera possible de mesurer l'efficacité d'un tel durcissement à base de technologie magnétique.

Nanomatériaux topologiques-supraconducteurs du groupe IV

Nous vivons actuellement la deuxième révolution quantique, au cours de laquelle des avancées majeures dans les technologies liées aux composants à l’état solide ont été réalisées en concevant des matériaux présentant différentes conductivités électriques (métaux, isolants, semi-conducteurs (SEMI)), pour finalement atteindre une conductivité infinie dans les supraconducteurs refroidis (SC). Cet écosystème florissant a été enrichi par la découverte récente d'une nouvelle classe de matériaux aux propriétés électroniques remarquables - les matériaux topologiques (TOP) - qui animent désormais les travaux théoriques et expérimentaux en physique de la matière condensée (1). Des progrès significatifs dans la compréhension des propriétés fondamentales des matériaux, la conception de nouveaux processus de fabrication et la découverte de nouveaux systèmes de matériaux sont nécessaires pour exploiter pleinement le potentiel des dispositifs quantiques à semi-conducteurs. Les qubits de spin supraconducteurs, les qubits de spin dans des boîtes et les systèmes de qubits topologiques sont généralement fabriqués en combinant plusieurs matériaux aux propriétés fondamentalement différentes - intégration hétérogène - dans des jonctions hybrides SC/SEMI et SC/TOP. Il s’agit d’un défi important en science des matériaux, car tout défaut structurel ou rugosité à l’interface entre deux matériaux compromettrait la capacité de détection et de manipulation des états quantiques. Les propriétés de ces jonctions hybrides sont affectées par la pureté de l'interface au sein de l'hétérostructure, où la présence d'oxydes, d'impuretés ou de défauts structurels est une source néfaste de bruit et de dissipation dans ces systèmes (2).
L’objectif de cette thèse de doctorat est de développer une plate-forme matériau évolutive où les propriétés quantiques peuvent être façonnées simplement en adaptant la structure cristalline d’un seul élément atomique – l’étain (Sn) – et qui permet d’obtenir des interfaces de la plus haute qualité. Les phases isolantes topologiques/semi-métalliques peuvent être modulées dans l'a-Sn cubique diamant en contrôlant la déformation, (3) tandis que le ß-Sn tétragonal centré se comporte comme un supraconducteur à des températures inférieures à 4 K. (4) Actuellement, basculer entre les phases a-Sn et ß-Sn est hors de portée en utilisant la géométrie conventionnelle des couches minces.
Le doctorant établira la croissance de nanofils de Sn (NW) unidimensionnels (1D) sur une plaquette de silicium à l'aide d'un système d'épitaxie par jets moléculaires (MBE). Les NW offrent le système idéal pour contrôler la phase cristalline d'un matériau sans défauts structurels de nucléation. (5) Dans cette thèse, ce paradigme d'ingénierie de la phase cristalline sera développé pour les NW du groupe IV afin d'obtenir un contrôle précis de la croissance des phases a-Sn et ß-Sn (c'est-à-dire les phases TOP et SC). Ce protocole permettra ensuite la croissance de NW a/ß-Sn sans défauts, avec des interfaces définies à l’échelle atomique et avec la plus haute qualité structurelle. Ce matériau nanostructuré permettra une intégration véritablement homogène de plusieurs états de la matière dans des dispositifs quantiques à l'état solide, ouvrant la voie à l'exploration des processus fondamentaux du calcul quantique topologique(6), de la spintronique(7) et de la photonique quantique(8).
L'étudiant étudiera les propriétés structurelles (microscopie électronique à balayage, microscopie à force atomique, microscopie électronique en transmission, diffraction des rayons X, tomographie par sonde atomique) et les propriétés optiques (Raman) des NW a/ß-Sn en utilisant une variété de techniques de caractérisation disponibles au CEA. Pour démontrer la présence des phases TOP ou SC dans ces nanomatériaux, l'étudiant fabriquera un transistor à effet de champ (FET) à NW (transfert de NW unique sur un substrat SiO2/Si, lithographie par faisceau d'électrons, dépôt de métaux et d'oxydes). Ensuite, des mesures de magnétotransport à des températures cryogéniques (1 K ou moins) seront effectuées pour démontrer le comportement TOP de la phase a-Sn et SC de la phase ß-Sn. Cette thèse formera l'étudiant avec un ensemble de compétences diversifiées allant de la croissance des matériaux, la caractérisation structurelle et optoélectronique, à la fabrication de dispositifs et aux mesures de transport quantique.
(1) P. Liu et al., Nat. Rev. Mater. 4, 479–496 (2019).
(2) N. P. de Leon et al., Science 372, 1–20 (2021).
(3) A. Barfuss et al., Phys Rev Lett. 111, 157205 (2013).
(4) Y. Zhang et al., Sci Rep. 6, 32963 (2016).
(5) S. Assali et al., Nano Letters. 15 (12) (2015).
(6) A. Stern et al., N. H. Lindner, Science. 339, 1179-1184 (2013).
(7) J. Ding et al., Advanced Materials. 33, 2005909 (2021).
(8) E. D. Walsh et al., Science. 372, 409-412 (2021).

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