This doctoral thesis is focused on the rational design of novel nanostructured biosensing materials and their application in medical diagnostics, in the field of biological aging. Aging and age-related diseases are the consequences of the accumulation of oxidative damage to proteins. One way to measure protein oxidation is to determine levels of protein carbonyls. Currently, protein carbonylation is detected and quantified with 2D gel-based methods using specific fluorescent dyes coupled with hydrazide that reacts with protein carbonyls. However, commonly used dyes suffer from moderate biocompatibility, solubility and photostability. To improve the specificity and sensitivity necessary for diagnostics and prognostic purposes, there is room for advanced strategies. Luminescent ligated gold nanoclusters (AuNCs), composed of several to up to a few hundred Au atoms and protected by thiolated ligands, exhibit quantum confinement effects and molecule-like properties with tunable emission. Also, their impressive nonlinear optical properties make them promising candidates for various bio-imaging techniques such as multiphoton excited fluorescence microscopy. The main objective of this doctoral thesis was to detect protein carbonylation by optical methods using functionalized gold nanoclusters from 2D gels to in vitro. Research presented in this thesis is organized in four chapters. In the first chapter, the current strategies used to analysis carbonylation in living materials will be briefly addressed as well as the potential of using nanoclusters obtained at the atomic precision for detection of carbonyl groups on proteins by optical methods. Experimental chapter describes in detail the techniques crucial to characterize nanoclusters specifying atomic precision by mass spectrometry, measurements of their optical properties (linear and nonlinear), and other characterization methods: sizing techniques, microscopies used to visualize signal from gels and the NCs inside the cells, chemical and biological protocols for carbonylation. The third chapter is devoted to describing the numerous synthesis approaches (most of them were unsuccessful) that have conducted us to develop functionalized gold nanoclusters as luminescent probes for protein carbonylation detection. This research was done using the model lysozyme protein. This thesis outlines the development of glutathione gold NCs and its functionalization as efficient targets towards carbonylation, gels composition modification for studying both proteins and nanoclusters, proteomic approaches to understand the amount and the sites of carbonylation of the lysozyme, and the proof-of-principles of using NCs as luminescent probes for protein carbonylation detection with gels. Last chapter describes the strategies that were conducted to render nanoclusters appealing for cell bioimaging. For the first time, bioimaging measurements using multiphoton confocal microscopy were demonstrated in Lyon using silver based NCs internalized inside the cells. Thesis epilogue highlights the current stage of this project, the current limitations as well as some perspectives to render nanoclusters serviceable for biologists in particular in the context of biological aging.

Ce travail de doctorat porte sur la conception de nouveaux nanomatériaux et leur application au diagnostic médical, en particulier dans le domaine du vieillissement. Le vieillissement et les maladies liées à l'âge sont les conséquences de l'accumulation de dommages oxydatifs sur les protéines. Une façon de mesurer l'oxydation des protéines est de déterminer les niveaux de carbonyles des protéines. À l'heure actuelle, la carbonylation des protéines est détectée et quantifiée par des méthodes basées sur des gels 2D utilisant des colorants fluorescents spécifiques couplés à un réactif, e.g. l’hydrazide qui réagit avec les carbonyles des protéines. Cependant, les colorants souffrent de faible biocompatibilité, faible solubilité et d'une photostabilité modérée. Pour améliorer la spécificité et la sensibilité nécessaires aux dommages oxydatifs, des stratégies avancées sont nécessaires. Les nanoclusters d'or (AuNC), composés de plusieurs centaines d'atomes d'or et protégés par des ligands thiolés, présentent des effets de confinement quantique et des propriétés de type moléculaire avec propriétés de photoluminescence uniques. De plus, les propriétés optiques non linéaire impressionnante de ces nanoclusters en font des candidats prometteurs pour diverses techniques de bio-imagerie telles que la microscopie confocale multiphotonique. L'objectif principal de ce travail de doctorat était de détecter la carbonylation des protéines par des méthodes optiques en utilisant des nanoclusters d'or fonctionnalisés, en allant de gels 2D jusqu’à une exploration in vitro. Ce manuscrit est organisé en quatre chapitres. Dans le premier chapitre, je passerai brièvement en revue les stratégies actuelles utilisées pour analyser la carbonylation dans le vivant et le potentiel de l'utilisation de nanoclusters obtenus à la précision atomique pour la détection des groupes carbonyles sur les protéines par des méthodes optiques. Dans le chapitre expérimental, je décrirai les techniques incontournables pour caractériser les nanoclusters et aborder la précision atomique par spectrométrie de masse, comment mesurer leurs propriétés optiques (linéaires et non linéaires), et d'autres méthodes de caractérisation en particulier les techniques de mesure de taille, les microscopies utilisées pour visualiser le signal des gels et les NCs à l'intérieur des cellules, les protocoles chimiques et biologiques de carbonylation. Le troisième chapitre est consacré à la description des nombreuses approches de synthèse (dont la plupart ont été infructueuses) qui nous ont conduits à développer des nanoclusters d'or fonctionnalisés comme sondes luminescentes pour la détection de la carbonylation des protéines. Ce travail a été réalisé en utilisant la protéine modèle lysozyme. En particulier, je décrirai le développement de NCs d'or protégés par des molécules de glutathion et leur fonctionnalisation comme cibles efficaces de la carbonylation, la modification de la composition des gels pour étudier à la fois les protéines et les nanoclusters, les approches protéomiques pour comprendre la quantité et les sites de carbonylation du lysozyme, et la preuve de principe de l'utilisation des NCs comme sondes luminescentes pour la détection de la carbonylation des protéines avec les gels. Dans le dernier chapitre, je décrirai les stratégies que nous avons menées pour rendre les nanoclusters intéressants pour la bioimagerie cellulaire. Et pour la première fois, des mesures de bioimagerie par microscopie confocale multiphotonique ont été démontrées à Lyon en utilisant des NCs à base d'argent internalisées à l'intérieur des cellules. Je terminerai en résumant l'état d'avancement de ce projet, les limitations actuelles ainsi que quelques perspectives pour rendre les nanoclusters réellement utilisables pour les biologistes en particulier dans le contexte du vieillissement cellulaire.