Thèse Développement de Sondes Fluorescentes Hybrides et Photoconvertibles pour l'Imagerie Cellulaire H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Ecole normale supérieure - PSL
École doctorale : Chimie Moléculaire de Paris-Centre
Laboratoire de recherche : Chimie Physique et Chimie du Vivant
Direction de la thèse : Blaise DUMAT ORCID 0000000204557282
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59

L'imagerie de fluorescence permet de visualiser directement les processus biologiques dans les cellules et fournit des informations inestimables aux biologistes. Elle peut cepdendant conduire à des interprétations erronées en raison de signaux non spécifiques, d'artefacts instrumentaux et de limitations en résolution. Malgré le grand nombre de rapporteurs fluorescents existants, il y a donc toujours un besoin de sondes sur mesure dotées de mécanismes sélectifs permettant de contrôler spatialement et temporellement leur émission, afin de garantir la spécificité du signal enregistré.
Les sondes photoactivables, dont l'émission est déclenchée par une excitation lumineuse, sont par exemple très utiles, car elles permettent de mettre en évidence, avec une résolution spatiale et temporelle élevée, une sous-population de fluorophores qui peut ensuite être suivie dans le temps. Elles sont donc particulièrement adaptées à l'étude de processus dynamiques, tels que le trafic de protéines ou le suivi de cellules ou de particules individuelles.
Les sondes photoactivables (mécanisme on/off) ont été bien étudiées, mais les sondes photoconvertibles (mécanisme de décalage de longueur d'onde) restent beaucoup plus rares, bien qu'elles offrent davantage d'informations, car elles permettent de suivre à la fois les populations de fluorophores pré- et post activation, dans deux canaux distincts. Des protéines fluorescentes photoconvertibles ont été développées mais, en dehors des systèmes bichromophoriques basés sur des paires FRET, seuls quelques exemples de sondes moléculaires photoconvertibles à décalage de longueur d'onde ont été rapportés.
Ce projet de thèse vise à développer des sondes photoconvertibles émettant dans les grandes longueurs d'onde. Elles basculeront entre une émission dans le visible et le proche infrarouge, offrant ainsi une nouvelle classe inédite de rapporteurs fluorescents moléculaires pour la microscopie.

The field of molecular photoconvertible probes is still poorly explored and this project aims at developing such reporters as a valuable and versatile alternative to their fluorescent protein counterparts. The use of molecular chemistry will allow fine-tuning the fluorescence and biological targeting properties. In particular, extending the emission in the near-infrared, will ensure enhanced performance for potential future application in in vivo imaging.

As a photoactive group, we will explore the photochromic oxazine group that can be efficiently activated on a minute timescale using mild light illumination on a confocal microscope. The oxazine, based on an indolenine found in various fluorescent scaffolds, can be incorporated in an aromatic scaffold so that the closed form is fluorescent in one color and photoactivation will extend the -conjugation thus red-shifting the emission wavelength. The irreversibly photoactivatable probes will be combined with classical protein labeling strategies involving self-labeling protein tags (e.g. HaloTag, SNAP-tag) for tracking microscopy. The host team has extensive experience in the development of such hybrid chemogenetic fluorescent reporters.

The PhD candidate will work at the interface of chemistry and biophysics and will gain expertise in several disciplines. The work will be divided in three steps.
(i) Design and synthesis of the molecular probes. Using classical multi-step organic synthesis, the candidate will synthesize a series of phototranformable probes according to the design principles described above.
(ii) Photophysical characterization. The fluorescence properties and photoconversion of the synthesized probes will be thoroughly characterized by absorption and steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopies. Photoactivation/conversion will be induced by LED illumination using near UV light.
(iii) Biophysical characterization and cellular imaging. Characterization of the biophysical properties will be performed by cellular imaging in confocal microscopy to assess the cell permeation, toxicity and photophysical properties in cells. The probes will be tested in model cell lines (e.g. HeLa, U2OS) possibly expressing recombinant HaloTag or SNAP-tag proteins and the photoactivation/conversion will be induced under the confocal microscope using the 405 nm laser line.

Le candidat doit être titulaire d'un master en chimie et avoir déjà une expérience (par exemple stage de master) en synthèse organique multi-étape. Une première expérience dans la recherche à l'interface avec la biologie ou la photochimie est un plus mais n'est pas requise.
Il ou elle doit avoir de bonnes capacités à communiquer à l'écrit et à l'oral et être capable de s'intégrer dans une équipe de recherche en participant aux taches communes.