Search

Depuis maintenant de très longues années, les problèmes de poids sont devenus monnaie courante en France. D’autant plus inquiétants que les courbes de poids de la population française ne cessent d’augmenter, année après année. Si l’obésité est reconnue comme une maladie et nécessite un accompagnement personnalisé afin de maximiser les chances de guérison du patient, le surpoids a tendance à être mis de côté. Dans ce travail, nous nous pencherons sur les régimes hyperprotéinés, longtemps en vogue pour la perte de poids.Dans un premier temps, nous étudierons les fondamentaux concernant la nutrition avant de nous focaliser sur le surpoids et l’obésité.Nous verrons ensuite dans un second temps, les principes et les déroulements des régimes hyperprotéinés les plus connus.Enfin, nous envisagerons les éventuels effets indésirables de ces régimes et donc l’importance de les suivre correctement.

Micro- and nanoparticles, and especially plastic particles, are an important current topic. The ever-growing increase of the amount of plastic used in a wide variety of fields causes a sharp increase in the associated pollution. When these particles enter a biological medium they surround themselves with a corona, which can have a complex impact on organisms. It can give the particle a “biological identity” influencing its interactions in the living medium.This thesis studies the interactions of polyethylene and polypropylene microparticles (MP) and microstructured polypropylene filters with proteins and model peptides. We characterized the MPs with several spectroscopic methods.Unaged and aged MPs were brought into contact with proteins and model peptides.We measured protein adsorption isotherms on aged and unaged MPs. Raman imaging and fluorescence measurements allowed us to directly visualize the hemoglobin and bovine serum albumin corona on the MPs. The hemoglobin function, in solution and adsorbed, was assessed by tonometry.To understand the interactions between peptides and nanoparticles at the atomic scale, we used an in silico molecular dynamics approach. Meanwhile, we have measured adsorption isotherms of fluorescent peptides to validate the simulation results.; Les micro- et nanoparticules, et en particulier celles de plastique, constituent un sujet d'actualité important. L'augmentation toujours croissante des quantités de plastiques utilisées dans des domaines très variés est à l'origine d'une forte augmentation de la pollution associée. Lorsque ces particules entrent dans un milieu biologique, elles s'entourent d'une corona dont l'impact sur les organismes peut être complexe. Elle donne à la particule une "identité biologique" influençant ses interactions dans le milieu vivant.Cette thèse étudie les interactions de microparticules (MP) de polyéthylène et de polypropylène, et de filtres microstructurés en polypropylène avec des protéines et des peptides modèles. Nous avons caractérisés les MP par différentes méthodes spectroscopiques.Des MP non-vieillies et vieillies par différentes méthodes ont été mises en contact avec des protéines et peptides modèles. Nous avons mesuré les isothermes d'adsorption des protéines sur les MP vieillis et non vieillies. Des mesures d'imagerie Raman et de fluorescence nous ont permis de visualiser directement la corona de l'hémoglobine et de l'albumine du sérum bovin sur les MP. La fonction de l'hémoglobine, en solution et adsorbée, a été évaluée par tonométrie.Pour comprendre les interactions entre peptides et nanoparticules de polyéthylène à l'échelle atomique, nous avons utilisé une approche in silico de dynamique moléculaire. En parallèle, nous avons mesuré les isothermes d'adsorption de peptides fluorescents pour pour valider les résultats de simulation.

Les nouveaux modes alimentaires sont de plus en plus présents en France. Ces différents types d’alimentation nécessitent des connaissances en macro et micro-nutrition afin de ne pas entrainer de déficits. Ce travail explique donc les différents déficits qui peuvent découler d’une végétalisation de l’alimentation ainsi que les bénéfices de celle-ci. La manière de composer les repas doit être connue de toutes les personnes souhaitant adopter un mode alimentaire végétal. Des cas-comptoirs adaptés à différents types de population seront développés afin d’accompagner les professionnels de santé dans leur pratique à l’officine.

Due to the fast increase in world population, many developing countries are facing malnutrition problems (famine, food insecurity, etc.). Particularly, the deficiency of protein sources is becoming a serious problem for both human and animals’ nutrition. Thus, the demand for protein sources has increased. In this context, Single Cell Proteins (SCP) produced by microorganisms could be exploited as an alternative and non-conventional protein source. The aim of this work was to study growth dynamics and SCP production and composition by Cupriavidus necator, under various environmental conditions stress and using different carbon (glucose, formic acid and oleic acid) and nitrogen (ammonium sulfate and urea) sources types. A mono-factorial approach under well-controlled conditions was used in order to investigate the impact of temperature, pH, carbon and nitrogen sources in bioreactor cultures. Results were compared in terms of bacterial growth, biomass composition (proteins and nucleic acids) and via the elemental biomass composition. Complementary analyses were also done using flow cytometry in order to study cell morphology, membrane permeability and presence of PHB production, a biopolymer naturally produced by C. necator. The temperature evaluation results showed that this parameter had an impact on growth and SCP production and composition. At 40°C, the growth was lower and low amounts of proteins, and nucleic acids were obtained. The same conclusion was obtained at pH5. Regarding the nitrogen source, the ammonium sulfate provided better results than urea as a nitrogen source. Added to that, the formic acid was found as a promising carbon source for protein production compared to glucose and oleic acid with a high total protein percentage of 90%DW (obtained with the Dumas’s method).; En raison de l'augmentation rapide de la population mondiale, de nombreux pays en cours de développement sont concernés par des problèmes de malnutrition (famine, insécurité alimentaire, etc.). En particulier, l’insuffisance en sources de protéines devient un problème majeur pour la nutrition humaine et animale et leur demande augmente de plus en plus. Dans ce contexte, les Protéines d’Organismes Unicellulaires (POU) produites par des micro-organismes peuvent exploitées comme une source de protéines alternative et non conventionnelle. L'objectif de ces travaux était d'étudier les dynamiques de croissance et de production de POU ainsi que leur composition par Cupriavidus necator, en réponse à des conditions environnementales différentes et en utilisant différents types de sources de carbone (glucose, acide formique et acide oléique) et d'azote (sulfate d’ammonium et urée). Une approche mono-factorielle en condition d’environnement contrôlé a été utilisée afin d'étudier l'impact de la température, du pH, des sources de carbone et d'azote dans des cultures en bioréacteurs. Les résultats ont été comparés en termes de croissance bactérienne, de composition de la biomasse (en protéines et en acides nucléiques) et via la composition élémentaire de la biomasse. Des analyses complémentaires ont également été effectuées par cytomètrie en flux afin de suivre la morphologie cellulaire, la perméabilité membranaire, et la présence potentielle de PHB, bio polymère naturellement produit par C. necator. Les résultats concernant la température ont montré que ce paramètre avait un impact sur la croissance ainsi que sur la production et la composition des POU. A 40°C, la croissance était plus faible et de faibles quantités de protéines et d'acides nucléiques ont été obtenues. La même conclusion a été obtenue à pH5. Concernant la nature de la source d’azote, le sulfate d'ammonium a donné les meilleurs résultats, comparé à l'urée, comme source d'azote. De plus, l'acide formique s'est avéré être une source de carbone prometteuse pour la production de protéines comparé au glucose et à l'acide oléique avec un pourcentage en protéines totales élevé autour de 90%DW (mesuré par la méthode de Dumas).

Taenia solium is a cestode that causes neurocysticercosis (NCC), a disease that affects the central nervous system, and is considered the leading cause of acquired epilepsy in the world. Postoncospheral form are early T. solium cysticercus stages (which causes NCC) and the study of its proteins is important to identify targets for the immunodiagnosis and to understand the host-parasite relationship. In this research 2 studies were carried out, the first consisted of a systematic review and meta-analysis of the sensitivity and specificity of the western blot for the immunodiagnosis of NCC; while the second study consisted of the characterization of the postoncosphere proteins recognized by antibodies of NCC patients. In the first study, the meta-analysis estimated that western blot has a sensitivity of 78.9% [95%CI: 71.8%-83.6%] and a specificity of 97.6% [95% CI: 95.7%-98.7%] for the immunodiagnosis of NCC, however, these data vary depending on the antigen type, the study type, and the number and state of the cysticercus in the brain. In the second study, antigenic protein bands (23, 46 and 48 kDa) of postoncosphere were recognized by 98% and 100% of patients with parenchymal and subarachnoid NCC respectively; mass spectrometry identified the proteins present in the post-oncosphere bands that could be evaluated as candidates for diagnosis and for the study of the modulation of the immune response and establishment of the post-oncosphere in the host., La neurocysticercose (NCC) est une maladie, qui affecte le système nerveux central, causée par Taenia solium, et est considéré comme la principale cause d’épilepsie acquise dans le monde. Les stades postoncospheral sont des stades précoces du T. solium cysticerques (causant la NCC) ; et l’étude de leurs protéines est importante pour identifier les antigènes candidats pour le immunodiagnostic, ainsi que pour comprendre la relation hôte-parasite. Dans cette investigation, 2 études ont été réalisées, la première consistait en une revue systématique et une méta-analyse de la sensibilité et de la spécificité du western blot pour l'immunodiagnostic du NCC ; tandis que la deuxième étude consistait en la caractérisation des protéines des stades postoncospheres reconnues par les anticorps de patients atteints de NCC. Dans la première étude, la méta-analyse a estimé que le western blot a une sensibilité de 78,9 % [IC95 % : 71,8 %-83,6 %] et une spécificité de 97,6 % [IC95 % ; 95,7 %-98,7 %] pour le diagnostic de NCC, cependant, ces données varient selon le type d'antigène, le type d'étude, le nombre et l'état des cysticerques dans le cerveau. Dans la deuxième étude, des bandes de protéines (23, 46 et 48 kDa) des stades postoncospheral sont reconnues par 98 % et 100 % des patients atteints de NCC parenchymateux et sous-arachnoïdien, respectivement ; La spectrométrie de masse a identifié les protéines présentes dans ces bandes qui pourraient être évaluées comme candidates pour l'immunodiagnostic et dans l'étude de la modulation de la réponse immunitaire et de l'établissement de la stades postoncospheral chez l'hôte.

Droplet-based microfluidics allow the study of individual samples in nanoliter-sized compartments. The possibilities offered by the manipulation of droplets have been exploited in many fields such as single-cell biology, requiring massive parallelization and individual tracking.Moreover, there is a growing interest in studying protein samples at high concentrations to better understand the effect of macromolecular crowding, or to screen the viscosity of biopharmaceuticals under various conditions. In many cases, the scarcity and cost of such proteins limit or prohibit the use of standard rheological techniques. As such, there is a pressing need to lower the required sample volumeWe have designed a specific microsystem for investigating viscous features of various hydrophilic compounds. Our experimental strategy, combining microfluidics and emulsion droplets, allows in-situ production, selection and monitoring of water droplets in a PDMS chip.Droplet shrinking causes in-chip solute concentration by a factor of 400. During the concentration process, rheological study of the sample is made possible by continuous viscosity measurements in the range of 1-1000 mPa.s, allowing full characterization of biopharmaceuticals in just one experiment and requiring as low as 1 µL of dilute solution.After introducing the fields of high-concentration protein rheology and microfluidics, this manuscript presents the design and operating ways of our chip. More specifically, the minimization of required volume through the choice of step-dropmaking is detailed, as well as the use of pervaporation-induced shrinking for solute concentration, with discussion on the technical challenges posed by those choices.Subsequently, both the concentration monitoring and multi-particle tracking microrheology techniques are introduced, with a particular interest in quantitative error estimation at each step to evaluate the global precision of the system.Various validation experiments have been conducted, using calibrated samples such as sucrose or model globular proteins such as bovine serum albumin or lysozyme. Their results are used to showcase the capabilities of our experimental system and discuss its limits.After a conclusion summarizing the aforementioned work and opening new perspectives, an appendix gathers technical information and additional data such as detailed experimental protocols., La microfluidique en gouttes permet l’étude d’échantillons individuels dans des volumes de l’ordre du nanolitre. Les possibilités de parallélisation et de suivi individuel offertes par la manipulation de micro-gouttes ont été exploitées dans de nombreux domaines, tels que l’étude de cellules uniques par exemple.Parallèlement, un effort de recherche grandissant cherche à permettre la caractérisation de solutions de protéines hautement concentrées, pour mieux comprendre les effets d’encombrement macromoléculaire par exemple, ou pour cribler le comportement visqueux de protéines thérapeutiques dans diverses conditions. La rareté et le coût des solutions de protéines restreint le plus souvent la faisabilité de ces études expérimentales, motivant le développement de techniques de caractérisation à faible volume.Nous avons conçu un dispositif microfluidique permettant la rhéologie de protéines et plus généralement de tout composé soluble dans l’eau. L’élément central de ce dispositif est une puce microfluidique permettant la production in-situ, la sélection et le suivi de gouttes individuelles.Le rétrécissement des gouttes entraîne la concentration du soluté au sein de la puce, jusqu’à un facteur 400.Pendant le processus de concentration, la viscosité au sein des gouttes est mesurée continuellement sur une large gamme accessible (1-1000 mPa.s). Ainsi, la caractérisation rhéologique complète de biopharmaceutiques est réalisable en une seule expérience, avec une consommation limitée à 1 µL de solution diluée.Le manuscrit commence par une introduction à la rhéologie des protéines et à la microfluidique.L’architecture et le fonctionnement de la puce sont ensuite détaillés. Sont notamment présentés le choix d’un émulsificateur à gradient de confinement et la réduction de volume consommé qui en découle, ainsi que le phénomène de pervaporation de l’eau permettant le rétrécissement des gouttes et la concentration des solutés. Les contraintes techniques participant à ces choix sont également discutées.Les processus permettant le suivi de la concentration et la microrhéologie par suivi vidéo de particules sont ensuite présentés. Pour chaque étape, une estimation systématique de l’erreur de mesure est réalisée, aboutissant à une estimation de la précision globale du système.Plusieurs expériences de validation ont été réalisées, étudiant des solutés au comportement visqueux connu comme le sucrose ou des protéines globulaires modèles comme l’albumine de sérum bovin ou le lysozyme. Leurs résultats sont présentés, permettant la démonstration des capacités expérimentales de notre dispositif et la discussion de ses limites.Après une conclusion synthétisant l’ensemble de ces travaux et ouvrant de nouvelles perspectives, des informations techniques et des données additionnelles sont regroupées en annexe.

Master

In response to the increasing demand for ever more efficient and high-throughput separations from most fields of application, a lot of effort is being put into the development of multi-dimensional separation techniques. As a result of its potential to generate high peak capacities in acceptable analysis times, in recent years, on-line comprehensive two-dimensional liquid chromatography (LC x LC) has emerged as a powerful tool for the analysis of highly complex mixtures. Despite its attractiveness, additional complexity and difficulties compared to conventional one-dimensional liquid chromatography (1D-LC) still hamper the proliferation of this technique. One of the most prominent challenges lies in the fact that attempts to maximize the coverage of the 2D separation space often results in counterproductive effects deteriorating the overall performance of the method. Therefore, in this thesis, a particular focus has been put on addressing this issue. In the present contribution, the value of on-line LC x LC for sub-hour separation of complex protein and peptide samples is demonstrated. First, the advantages of on-line reversed-phase LC x reversed-phase LC (RPLC x RPLC) compared to 1D-reversed-phase LC (1D-RPLC) are highlighted for the separation of a protein tryptic digest, both in terms of peak capacity and detection sensitivity. In a second part, two different approaches to improve the retention space coverage are explored for peptide analysis. The first one involves the use of variable gradients in the second dimension, whereas the second one relies on the use of different and complementary combinations in both dimensions, namely, hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC) and RPLC. It is shown that both approaches are effective for this purpose but also bring about specific constraints, which are discussed in detail here. In on-line HILIC x RPLC, the reversed elution strength of the mobile phases used in both dimensions often causes severe peak shape deformations, which impair the separation performance in the second dimension. A possible strategy to circumvent these deleterious effects is presented. This strategy is then compared to some of the most frequently used approaches in the literature. Their respective strengths and weaknesses are discussed in the specific context of peptide analysis. Finally, in the last part, the applicability of on-line LC x LC methods hyphenated with ultraviolet and high-resolution mass spectrometry detections, to the characterization of antibody-drug conjugates, is demonstrated, using cation-exchange chromatography in the first- and RPLC in the second dimension., Grâce à son très haut pouvoir séparatif, la chromatographie liquide bidimensionnelle compréhensive en ligne (LC x LC) s'est imposée comme un outil puissant pour l'analyse d’échantillons complexes ces dernières années. Cependant, du fait de sa complexité par rapport à la chromatographie liquide unidimensionnelle classique (1D-LC), la prolifération de cette technique demeure relativement limitée. L'une des difficultés majeures de cette technique consiste à parvenir à maximiser l’occupation de l'espace de séparation bidimensionnel, tout en minimisant les effets néfastes qui bien souvent en découlent, sur les performances globales de la méthode. Dans cette thèse, une attention particulière a été portée à cette problématique. Ce manuscrit montre le potentiel de la LC x LC en ligne pour la séparation d'échantillons complexes de protéines et de peptides en moins d'une heure. Tout d’abord, les avantages de la LC x LC combinant la chromatographie en phase inverse (RPLC) dans les deux dimensions, par rapport à la chromatographie liquide unidimensionnelle en phase inverse classique (1D-RPLC), sont mis en évidence, pour la séparation de digestions de protéines. Dans une deuxième partie, deux approches possibles pour améliorer l’occupation de l’espace de séparation bidimensionnel pour l’analyse de peptides sont explorées. La première approche implique l’utilisation de programmes de gradients variables dans la deuxième dimension, tandis que la deuxième approche repose sur le couplage de deux méthodes différentes et complémentaires, à savoir, la chromatographie liquide à interaction hydrophile (HILIC) et la RPLC. Bien que ces deux approches soient efficaces à cet effet, chacune d’entre elles apporte son lot de difficultés, qui sont discutées en détail ici. Dans le cas de la HILIC x RPLC en ligne, la différence de force éluante entre les phases mobiles des deux dimensions, donne généralement lieu à des déformations de pics, qui dégradent la qualité de séparation dans la deuxième dimension. Une stratégie possible pour éviter ces effets est présentée ici. Cette stratégie est ensuite comparée à trois des approches les plus utilisées dans la littérature. Les avantages et inconvénients de chacune des stratégies explorées sont mis en exergues, dans le contexte spécifique de l’analyse de peptides. Pour finir, dans une dernière partie, l’intérêt de la LC x LC couplée à la détection ultraviolet et à la détection par spectrométrie de masse à haute résolution, pour la caractérisation de conjugués d’anticorps-médicaments, est souligné, en utilisant la chromatographie à échange de cations en première dimension et la RPLC en deuxième dimension.

International audience; Doctoral; Phages are viral microorganisms that infect bacteria. Their genome is structured in many functional modules, frequently mixed by recombination. These recombinations, encouraged by the homology between sequences, result in new combinations of modules and thus in potentially new and viable phages, but make them difficult to annotate with in-silico methods. In particular, classical multiple alignment methods are unable to handle recombinations. The aim of my internship is to use a new multiple alignment tool, Paloma, to study recombinations between homologous proteins of 32 phages, whose some have already been recombined according to the literature. The visualization of the generated alignments allowed to find recombined regions in 8 phages described by the past in 3 phages, and the presence of 4 conserved sequences between these 8 phages around the recombined region. These could be recombination fingerprints. These results are encouraging and demonstrate the ability of Paloma to take into account recombinations in a multiple alignment. In the future, it is planned to couple Paloma with an automata learning tool to predict the unknown function of phage proteins.; Les phages sont des micro-organismes viraux qui infectent les bactéries. Leur génome est structuré sous la forme de modules fonctionnels, fréquemment mélangés par recombinaison. Ces recombinaisons, favorisées par l’homologie entre séquences, donnent lieu à de nouvelles combinaisons de modules et donc à des phages potentiellement nouveaux et viables, mais les rend difficile à annoter avec des méthodes in-silico. Plus particulièrement, les méthodes classiques d’alignement multiple n’arrive pas à prendre en charge les recombinaisons. Le but de mon stage est d’utiliser un nouvel outil d’alignement multiple, Paloma, pour étudier les recombinaisons entre protéines homologues de 32 phages, dont certaines ont déjà fait l’objet de recombinaison d’après la littérature. La visualisation des alignements généré a permis de retrouver des régions recombinées chez 8 phages décrites par le passé chez 3 phages, et la présence de 4 séquences conservées entre ces 8 phages autour de la région recombinée. Il pourrait s’agir d’empreintes de recombinaison. Ces résultats sont encourageants et démontre la capacité de Paloma à tenir compte de recombinaisons lors d’un alignement multiple. À terme, il est prévu de coupler Paloma avec un outil d’apprentissage d’automates pour prédire la fonction inconnue de protéines de phage.

Due to the recent advancement in genomic sequencing technologies, the number of protein entries in public databases is growing exponentially. It is important to harness this huge amount of data to describe living things at the molecular level, which is essential for understanding human disease processes and accelerating drug discovery. A prerequisite, however, is that all of these proteins be annotated with functional properties such as Enzyme Commission (EC) numbers and Gene Ontology (GO) terms. Today, only a small fraction of the proteins is functionally annotated and reviewed by expert curators because it is expensive, slow and time-consuming. Developing automatic protein function annotation tools is the way forward to reduce the gap between the annotated and unannotated proteins and to predict reliable annotations for unknown proteins. Many tools of this type already exist, but none of them are fully satisfactory. We observed that only few consider graph-based approaches and the domain composition of proteins. Indeed, domains are conserved regions across protein sequences of the same family. In this thesis, we design and evaluate graph-based approaches to perform automatic protein function annotation and we explore the impact of domain architecture on protein functions. The first part is dedicated to protein function annotation using domain similarity graph and neighborhood-based label propagation technique. We present GrAPFI (Graph-based Automatic Protein Function Inference) for automatically annotating proteins with enzymatic functions (EC numbers) and GO terms from a protein-domain similarity graph. We validate the performance of GrAPFI using six reference proteomes from UniprotKB/SwissProt and compare GrAPFI results with state-of-the-art EC prediction approaches. We find that GrAPFI achieves better accuracy and comparable or better coverage. The second part of the dissertation deals with learning representation for biological entities. At the beginning, we focus on neural network-based word embedding technique. We formulate the annotation task as a text classification task. We build a corpus of proteins as sentences composed of respective domains and learn fixed dimensional vector representation for proteins. Then, we focus on learning representation from heterogeneous biological network. We build knowledge graph integrating different sources of information related to proteins and their functions. We formulate the problem of function annotation as a link prediction task between proteins and GO terms. We propose Prot-A-GAN, a machine-learning model inspired by Generative Adversarial Network (GAN) to learn vector representation of biological entities from protein knowledge graph. We observe that Prot-A-GAN works with promising results to associate ap- propriate functions with query proteins. In conclusion, this thesis revisits the crucial problem of large-scale automatic protein function annotation in the light of innovative techniques of artificial intelligence. It opens up wide perspectives, in particular for the use of knowledge graphs, which are today available in many fields other than protein annotation thanks to the progress of data science., Les progrès des technologies de séquençage génomique ont conduit à une croissance exponentielle du nombre de séquences protéiques dans les bases de données publiques. Il est important d’exploiter cette énorme quantité de données pour décrire les êtres vivants au niveau moléculaire, et ainsi mieux comprendre les processus pathologiques humains et accélérer la découverte de médicaments. Une condition préalable, cependant, est que toutes ces protéines soient annotées avec des propriétés fonctionnelles telles que les numéros de commission enzymatique (EC) ou les termes de l’ontologie « Gene Ontology » (GO). Aujourd’hui, seule une petite fraction des protéines est annotée fonctionnellement et examinée manuellement par des experts car c’est une tâche coûteuse, lente et chronophage. Le développement d’outils d’annotation automatique des protéines est la voie à suivre pour réduire l’écart entre séquences protéiques annotées et non annotées et produire des annotations fiables. Aucun outil déjà développés n’est pleinement satisfaisant. Seuls quelques-uns utilisent les approches à base de graphes et tiennent compte de la composition en domaines des protéines qui sont des régions conservées à travers les séquences protéiques de la même famille. Dans cette thèse, nous concevons et évaluons des approches à base de graphes pour effectuer l’annotation automatique des fonctions protéiques et nous explorons l’impact de l’architecture en domaines sur les fonctions protéiques. La première partie est consacrée à l’annotation de la fonction des protéines à l’aide d’un graphe de similarité de domaines et de techniques de propagation d’étiquettes (ou de labels) améliorées. Tout d’abord, nous présentons GrAPFI (« Graph-based Automatic Protein Function Inference ») pour l’annotation automatique des protéines par les numéros EC et par des termes GO. Nous validons les performances de GrAPFI en utilisant six protéomes de référence dans UniprotKB/SwissProt, et nous comparons les résultats de GrAPFI avec des outils de référence. Nous avons constaté que GrAPFI atteint une meilleure précision et une couverture comparable ou meilleure par rapport aux outils existants. La deuxième partie traite de l’apprentissage de représentations pour les entités biologiques. Au début, nous nous concentrons sur les techniques de plongement lexical (« word embedding »), utilisant les réseaux neuronaux. Nous formulons la tâche d’annotation comme une tâche de classification de textes. Nous construisons un corpus de protéines sous forme de phrases composées de leurs domaines respectifs et nous apprenons une représentation vectorielle à dimension fixe. Ensuite, nous portons notre attention sur l’apprentissage de représentations à partir de graphes de connaissances intégrant différentes sources de données liées aux protéines et à leurs fonctions. Nous formulons le problème d’annotation fonctionnelle des protéines comme une tâche de prédiction de liens entre une protéine et un terme GO. Nous proposons Prot-A-GAN, un modèle d’apprentissage automatique inspiré des réseaux antagonistes génératifs (GAN pour « Generative Adversarial Network »). Nous observons que Prot-A-GAN fonctionne avec des résultats prometteurs pour associer des fonctions appropriées aux protéines requêtes. En conclusion, cette thèse revisite le problème crucial de l’annotation automatique des fonctions protéiques à grande échelle en utilisant des techniques innovantes d’intelligence artificielle. Elle ouvre de larges perspectives, notamment pour l’utilisation des graphes de connaissances, disponibles aujourd’hui dans de nombreux domaines autres que l’annotation de protéines grâce aux progrès de la science des données.

To assign structural and functional annotations to the ever increasing amount of sequenced proteins, the main approach relies on sequence-based homology search methods based on significant alignments of query sequences to annotated proteins or protein families. While powerful, existing approaches do not take coevolution between residues into account. Taking advantage of recent advances in the field of contact prediction, in this thesis we propose to represent proteins by Potts models, which model direct couplings between positions in addition to positional composition, and to compare proteins by aligning these models. This novel application of Potts models raised further requirements for their construction, and we identified several key points towards building more comparable Potts models, towards an ideal of canonicity. Due to non-local dependencies, the problem of aligning Potts models is NP-hard. Here, we introduced a method based on an Integer Linear Programming formulation of the problem which can be optimally solved in tractable time. Our first results suggest that taking pairwise couplings into account can improve the alignment of remote homologs and could thus improve remote homology detection.; Pour attribuer des annotations de structure et de fonction au nombre toujours croissant de protéines séquencées, la principale approche consiste à utiliser des méthodes de recherche d'homologues basées sur des alignements significatifs de séquences à des protéines ou familles de protéines déjà annotées. Bien que les méthodes existantes soient performantes, elles ne prennent pas en compte la co-évolution entre les résidus. Dans cette thèse, nous proposons de tirer parti d'avancées récentes dans le domaine de la prédiction de contact en représentant les protéines par des modèles de Potts, qui modélisent les couplages directs entre les positions en plus de la composition positionnelle, et de comparer les protéines en alignant ces modèles. Cette nouvelle utilisation des modèles de Potts nous a amenés à identifier de nouveaux critères pour leur construction dans un idéal de canonicité. Dû aux dépendances distantes, le problème d'alignement de deux modèles de Potts est NP-difficile. Nous avons introduit ici une méthode basée sur la formulation de l'alignement comme un problème de programmation linéaire en nombres entiers, dont la solution exacte peut être trouvée en temps raisonnable. Nos résultats suggèrent que prendre en compte les couplages directs permet d'améliorer la qualité de l'alignement d'homologues plus lointains et pourrait ainsi améliorer la détection d'homologie lointaine.

Engineering school; L’opération d’ultrafiltration tangentielle permet de concentrer les protéines laitières. Les opérations de séparation par membrane, aussi appelées opérations de filtration tangentielle, sont largement utilisées dans le secteur laitier depuis la fin des années 70 : les optimisations faites ont donc des retombées économiques importantes. L’ultrafiltration tangentielle est utilisée pour concentrer les protéines laitières : elle permet ainsi de standardiser la composition du lait et d’augmenter la concentration en protéines totales.Ce stage se concentre sur l’étude d’un nouveau concept de membrane de filtration, qui sont ici des membranes organiques spirales. L’objectif vise à comparer ce nouveau concept avec le concept standard sur les performances de l’ultrafiltration de lait. Ces performances sont caractérisées par le flux de perméation, la qualité des produits et les coûts énergétiques.La stratégie qui a été adoptée est de tester deux membranes dotées du concept innovant, et deux membranes de référence dotées du concept conventionnel. Les membranes ont été testées sur eau et sur lait, toujours suivant le même protocole. Finalement, ce travail montre que le choix d’une membrane repose sur le niveau d’acceptation de fuite de protéines : si aucune fuite n’est tolérée, seule la membrane C – 10 est acceptable. Sinon, la décision est plus difficile : il faut prendre en compte les préférences de l’industriel, et le cahier des charges précis qu’il s’impose.

Proteins are large molecules that play essential roles in living cells including structure, regulation and functions. They provide key information for understanding biological mechanisms and diseases. The development of new tools for rapid protein sequencing at the single molecule scale, would contribute to the diagnosis of numerous diseases and to the development of personalized medical assessment.Nanopore-based single-molecule electrical detection technology is a low-cost, real-time, and label-free analysis method, that stands out as a promising tool for the development of this application. The principle of this technique consists of using a nanometric pore (nanopore) created in a membrane separating two compartments filled with electrolyte solution. Due to the applied voltage, the electrolyte ions flow through the nanopore. The entry of individual molecules in the nanopore causes a drop in ionic current whose characteristics provide information on the chemical nature of the molecule being analyzed. Based on this principle, biomolecule sequencing can be achieved by sequentially reading the information of an unfolded protein through a nanopore.The significant advances in nanopore DNA sequencing have enhanced the potential of this technology and expanded the development of nanopore protein sequencing. This latter is, nonetheless, more challenging compared to nucleic acids because of many constraints mainly related to the nature of proteins which have a complex structure. It can be composed of 20 amino acids which may also involve chemical modifications of some of them. To our knowledge, when my thesis work has been initiated, no nanopore, whether biological unmodified, solid, or artificial, has so far made it possible to obtain sufficient amino acid resolution for reading the sequence of a protein.The foreseen scope of my thesis work is to develop a protein sequencing strategy based on the use of a biological nanopore called aerolysin, a toxin produced by the bacteria Aeromonas hydrophila which forms nanometric pores in biological membranes. Aerolysin has recently demonstrated a high resolving power, under optimal physicochemical conditions, for the analysis of different types of molecules such as neutral polymers, and oligonucleotides. Aerolysin thus represents an ideal candidate for attempting to achieve a high separation resolution permitting the detection of an amino acid.This manuscript explores the results that I obtained during my thesis work. My first major contribution is to demonstrate, for the first time, that aerolysin allows the discrimination of short peptides (from 5 to 10 amino acids) analyzed in a mixture or individually, with a separation resolution equivalent to that of an individual amino acid. My second major contribution is to demonstrate for the first time a mapping of 20 natural amino acids per nanopore, based on their electrical signatures measured through aerolysin. We have also shown that it is possible to identify chemical modifications carried by certain amino acids., Les protéines sont des macromolécules indispensables au fonctionnement des cellules vivantes, pouvant fournir des informations clés pour comprendre les mécanismes biologiques et les maladies. Le développement de nouveaux outils pour le séquençage des protéines, rapide et à l’échelle de la molécule unique, constituerait un apport dans le diagnostic de nombreuses maladies et dans le développement de la médecine personnalisée.La technologie de détection électrique par nanopore est une méthode d'analyse à l'échelle de la molécule unique, en temps réel, sans marquage, peu coûteuse, qui se présente comme un outil prometteur pour le développement de cette application. Le principe de cette technique consiste à utiliser une membrane isolant deux compartiments remplis par une solution ionique, et percée d’un trou nanométrique, un nanopore. Sous l’action d’une différence de potentiel, un flux d’ions circule à travers le nanopore. L’entrée d’une molécule individuelle dans le nanopore entraine une chute du courant ionique dont les caractéristiques permettent d’obtenir des informations sur la nature chimique de la molécule analysée. Sur ce principe, le séquençage de biomolécules peut être réalisé par la lecture séquentielle de l’information d’une chaîne dépliée à travers un nanopore.Les avancées spectaculaires du séquençage de l’ADN par nanopore ont mis en lumière le haut potentiel de cette technologie et ont ouvert la voie vers le développement du séquençage des protéines par nanopore. Ce nouveau challenge est néanmoins bien plus difficile que pour les acides nucléiques en raison de nombreuses contraintes principalement liées à la nature des protéines qui présentent une structure complexe, qui peuvent être composées de 20 acides aminés, et qui présentent des modifications chimiques de certains de leurs acides aminés. A notre connaissance, au commencement de mes travaux de thèse, aucun nanopore, qu’il soit biologique non modifié, solide, ou artificiel, n’avait permis d’obtenir une résolution d’un acide aminé suffisante à la lecture de la séquence d’une protéine.L’ambition de mon projet de thèse est de développer une stratégie de séquençage des protéines basée sur l’utilisation d’un nanopore biologique, l’aérolysine, une toxine produite par la bactérie Aeromonas hydrophila, capable de former des pores nanométriques dans les membranes biologiques. L’aérolysine, a récemment démontré un haut pouvoir de résolution, dans des conditions physico-chimiques optimales, pour l’analyse de différents types de molécules, comme des polymères neutres et des oligonucléotides. L’aérolysine se présente ainsi comme un candidat de choix pour tenter d’atteindre une résolution de détection d’un acide aminé.Ce manuscrit a pour objectif de présenter les résultats que j’ai obtenus durant ma thèse. La première contribution majeure de mes travaux est de montrer, pour la première fois, que l’aérolysine permet d’obtenir la discrimination de courts peptides (de 5 à 10 acides aminés), analysés dans un mélange ou individuellement, avec une résolution de séparation d’un acide aminé individuel. La deuxième contribution majeure de mes travaux est l’établissement de la première cartographie des 20 acides aminés naturels par nanopore, sur la base de leurs signatures électriques mesurées à travers l’aérolysine. Nous avons également montré qu’il est possible d’identifier des modifications chimiques portées par certains acides aminés.

It is generally accepted to consider art and science as two distinctly separate fields in their method of image production and their contribution of specific knowledge. It thus appeared relevant to identify convergences and analogies that can lead to commonalities, especially in the field of the invisible, where it is more difficult to develop scientific models able to visualize the real shape of the objects being examined. Theories based on similarity (of the source to the target), in the visual arts as well as in the experimental sciences, do not seem to be able to explain the complexity of representation and its referential function (Goodman). Other conceptions, such as those of Hughes and Suarez, are proposed because they allow the two fields to be united under the same mode of functioning of the image based on inferential theory. The conventions that determine the scientific image, like abstraction and idealization (Chakravartty), are compared to the distinctive features of the artistic image by suggesting the idea that there is convergence towards the same regulatory principle of selection and organization of visual or informational data. To confirm that there can be a close correlation between art and science, it appeared necessary to find a scientific model that has an artistic origin. The genesis of one of the models commonly used in the field of microbiology has been reconstituted by showing that its artistic origin has contributed in a decisive way to the codification of instrumental data in order to allow the visualization of proteins (ribbon model). While the scientific image aims at an ideal of objectivity and neutrality, it is nevertheless subject to a process of aesthetization that can be found in popular science journals, in photography competitions and in the publication of images from space agencies such as ESA and NASA to render the images more attractive. The ideal of beauty that emerges is linked to the notion of the marvelous, especially for micrography, and to the concept of the sublime for astronomical images. Moreover, two artists are summoned to show the artistic community's interest in science and reveal two opposing approaches: Corbasson adopts a free interpretation of images and scientific concepts to compose his works, while Taverna produces pictorial compositions which depict scientific concepts and which aim to answer the questions of science., Il est généralement admis de considérer l’art et la science comme deux domaines nettement séparés dans leur méthode de production des images et dans leur apport de connaissance spécifique. Il est ainsi apparu pertinent de repérer les convergences et les analogies qui peuvent conduire à des points de contact notamment dans le domaine de l’invisible, où il est moins aisé d’élaborer des modèles scientifiques aptes à visualiser la forme réelle des objets étudiés. Les théories se fondant sur la ressemblance (de la source par rapport à la cible), dans les arts visuels aussi bien que dans les sciences expérimentales, ne semblent pas pouvoir rendre compte de la complexité de la représentation et de sa fonction référentielle (Goodman). D’autres conceptions, comme celle de Hughes et celle de Suarez, sont proposées car elles permettent de réunir les deux domaines sous un même mode de fonctionnement de l’image qui se base sur la théorie inférentielle. Les caractéristiques essentielles qui déterminent l’image scientifique, telles que l’abstraction et l’idéalisation (Chakravartty), sont comparées aux traits distinctifs de l’image artistique en suggérant l’idée qu’il y a convergence vers un même principe régulateur de sélection et d’organisation des données visuelles ou informationnelles. Pour confirmer qu’il peut exister une étroite corrélation entre art et science, il est apparu nécessaire de trouver un modèle scientifique qui possède une origine artistique. La genèse d’un des modèles couramment utilisés dans le domaine de la microbiologie a été reconstituée en montrant que son origine artistique a contribué de manière déterminante à la codification des données instrumentales afin de permettre la visualisation des protéines (modèle en ruban). Alors que l’image scientifique vise un idéal d’objectivité et de neutralité, elle est néanmoins soumise à un processus d’esthétisation qui se retrouve dans les revues de vulgarisation scientifique, dans les concours de photographie allant jusqu’à inclure la diffusion d’images des agences spatiales comme l’ESA et la NASA. L’idéal de beauté qui émerge est relié à la notion de merveilleux, notamment pour la micrographie, et au concept de sublime pour l’image astronomique. De surcroît, deux artistes sont convoqués pour témoigner de l’intérêt du milieu artistique pour la science et révèlent deux approches opposées : Corbasson adopte une interprétation libre des images et des notions scientifiques pour composer ses œuvres, alors que Taverna produit des compositions picturales qui mettent en images les concepts scientifiques et qui ont pour ambition de répondre aux questionnements de la science.

Extrusion based 3-D printing is a high potential technology regarding the automated manufacturing of well-controlled organoleptic and nutritive properties foods. In order to elaborate such edible product, the nutritional material is extruded and deposited in a continuous layer which must not deform under its own weight or that of the successive deposited layers. The printability of the material depends upon its rheological and structural properties. The aim of this work was to elaborate cereal materials in view of 3-D impression of various composition and texture food products, by structuring wheat doughs thanks to formulation and process based levers.The structural changes of proteins and starch and their interactions are the key phenomena responsible of the structuration of wheat doughs and cereal products. The methodology proposed consisted in developing different process paths of wheat flour in a printed product, by varying the water content of the dough and applying different mechanical, thermal or thermo-mechanical processes.The relation between the structure of the obtained products and their rheological properties was investigated combining microscope, thermal and rheological analyses. Tests with a food printer prototype have allowed to relate the rheological properties and the quality of the printing. Further complexification of the formulation with usual ingredients in cereal food processing (sugar, fat, milk proteins) and with more structured materials such as fruit or vegetables puree, stirred yogurt) has permitted to identify a formulation lever and some key points for the production of these materials with a good printing quality. This work emphasizes the interest of a tailored formulation in order to monitor the printability of various composition materials and the texture of 3-D printed food products.; L’impression 3D par extrusion présente un fort potentiel pour la production automatisée d’aliments de propriétés nutritionnelles et organoleptiques précisément contrôlées. Pour construire l’objet comestible, le matériau alimentaire est extrudé en une couche de matière continue ne se déformant pas sous sa masse après déposition ni sous la masse des couches de matière déposées ensuite. L’imprimabilité du matériau repose sur ses propriétés rhéologiques et structurales. L’objectif de ce travail était de formuler des matériaux céréaliers permettant l’impression d’aliments de composition et de texture variées en structurant à façon des pâtes de blé par des leviers de formulation et de procédé.Les modifications structurales des protéines et de l’amidon et leurs interactions sont au cœur des mécanismes de structuration des pâtes de blé et des produits céréaliers. La démarche de recherche a consisté à développer des itinéraires technologiques de transformation de la farine de blé en aliment imprimé, en faisant varier la teneur en eau dans la pâteet en appliquant différents procédés mécaniques, thermomécaniques et thermiques. La relation entre la structure des matériaux obtenus et leurs propriétés rhéologiques a été étudiée en combinant des méthodes d’analyse microscopique, thermique et rhéologique. Des essais d’impression avec un prototype d’imprimante alimentaire ont permis de mettre en évidence les propriétés rhéologiques liées à une bonne qualité d’impression des objets. La complexification de la formulation du matériau par des ingrédients usuels dans le domaine céréalier (sucre, matière grasse, protéines laitières) et des ingrédients plus structurés (purées de fruits et légumes, yaourt brassé) a permis d’identifier un levier de formulation et des points d’attention pour la production de ces matériaux en maintenant leur qualité d’impression.Ce travail souligne l’intérêt de la démarche de formulation raisonnée pour piloter l’imprimabilité de matériaux de composition variée et la texture d’aliments imprimés en 3D.

Extrusion based 3-D printing is a high potential technology regarding the automated manufacturing of well-controlled organoleptic and nutritive properties foods. In order to elaborate such edible product, the food material is extruded and deposited in a continuous layer which must not deform under its own weight or that of the successive deposited layers. The printability of the material depends upon its rheological and structural properties. The aim of this work was to elaborate cereal materials in view of 3-D impression of various composition and texture food products, by structuring wheat doughs thanks to formulation and process based levers.The structural changes of proteins and starch and their interactions are the key phenomena responsible of the structuration of wheat doughs and cereal products. The methodology proposed consisted in developing different process paths of wheat flour in a printed product, by varying the water content of the dough and applying different mechanical, thermal or thermo-mechanical processes. The relation between the structure of the obtained materials and their rheological properties was investigated combining microscope, thermal and rheological analyses. Tests with a food printer prototype have allowed to relate the rheological properties and the quality of the printing. Further complexification of the formulation with usual ingredients in cereal food processing (sugar, fat, milk proteins) and with more structured materials such as fruit or vegetables puree or stirred yogurt, has permitted to identify a formulation lever and some key points for the production of these materials with a good printing quality. This work emphasizes the interest of a tailored formulation in order to monitor the printability of various composition materials and the texture of 3-D printed food products.; L’impression 3D par extrusion présente un fort potentiel pour la production automatisée d’aliments de propriétés nutritionnelles et organoleptiques précisément contrôlées. Pour construire l’objet comestible, le matériau alimentaire est extrudé en une couche de matière continue ne se déformant pas sous sa masse après déposition ni sous la masse des couches de matière déposées ensuite. L’imprimabilité du matériau repose sur ses propriétés rhéologiques et structurales. L’objectif de ce travail était de formuler des matériaux céréaliers permettant l’impression d’aliments de composition et de texture variées en structurant à façon des pâtes de blé par des leviers de formulation et de procédé.Les modifications structurales des protéines et de l’amidon et leurs interactions sont au cœur des mécanismes de structuration des pâtes de blé et des produits céréaliers. La démarche de recherche a consisté à développer des itinéraires technologiques de transformation de la farine de blé en aliment imprimé, en faisant varier la teneur en eau dans la pâte et en appliquant différents procédés mécaniques, thermomécaniques et thermiques. La relation entre la structure des matériaux obtenus et leurs propriétés rhéologiques a été étudiée en combinant des méthodes d’analyse microscopique, thermique et rhéologique. Des essais d’impression avec un prototype d’imprimante alimentaire ont permis de mettre en évidence les propriétés rhéologiques liées à une bonne qualité d’impression des objets. La complexification de la formulation du matériau par des ingrédients usuels dans le domaine céréalier (sucre, matière grasse, protéines laitières) et des ingrédients plus structurés (purées de fruits et légumes, yaourt brassé) a permis d’identifier un levier de formulation et des points d’attention pour la production de ces matériaux en maintenant leur qualité d’impression.Ce travail souligne l’intérêt de la démarche de formulation raisonnée pour piloter l’imprimabilité de matériaux de composition variée et la texture d’aliments imprimés en 3D.

The availability of protein sources for human nutri-tion is a major concern due to global demographics, economics and nutritional transitions. Protein intakes must cover the need for nine indispensable amino acids (IAA). It is important that this need is met in order to avoid situations of protein and energy me-tabolism imbalance. Various studies have been de-veloped to determine this need: nitrogen balance, the factorial method, and methods using stable iso-topes. However, these methods are difficult and invasive, and the obtained values of needs present significant differences. It is therefore necessary to develop more precise and non-invasive approaches, such as metabolomics, as recommended by the FAO.The objectives of this thesis are to assess the impact of protein and IAA (lysine and threonine) deficiency on protein and energy metabolism and to identify markers of deficiency for these two amino acids in the growing rat. Severe levels of deficiency (85%; 75%) in protein and lysine and threonine decrease weight and lean mass and increase food intake. These effects are associated with a decrease in protein synthesis and an increase in energy metabolism in low protein diets. These effects seems to be mediated by FGF21. Analyses of metabolomics in urine show that variations in pipecolate and taurine indicate lysine and threonine deficiencies, respectively.; La disponibilité de sources de protéines pour l’alimentation humaine est une préoccupation majeure du fait des transitions démographiques, économiques et nutritionnelles mondiales. Les apports en protéines doivent couvrir les besoins en neuf acides aminés considérés comme indispensables (AAI). Il est important que leur besoin soit couvert pour éviter des situations de déséquilibre du métabolisme protéique et énergétique. Différentes études ont été développées afin de déterminer ce besoin : bilan azoté, méthode factorielle, et méthodes utilisant les isotopes stables. Cependant, ces méthodes sont lourdes et invasives et les valeurs de besoins obtenues présentes des différences importantes. Il est donc nécessaire de développer des approches plus précises et non invasives, telle que la métabolomique, recommandée par la FAO. Les objectifs de cette thèse sont d’évaluer l’impact de la déficience en protéines et en AAI (lysine et thréonine) sur le métabolisme protéique et énergétique et d’identifier des marqueurs de la déficience de ces deux acides aminés chez le rat en croissance. Des niveaux sévères de déficience (85% ; 75%) en protéines et en lysine et thréonine diminuent le poids et la masse maigre et augmentent la prise alimentaire. Ces effets sont associés à une diminution de la synthèse protéique. et à une augmentation du métabolisme énergétique pour les faibles apports en protéines. Ces effets semblent médiés par FGF21. Les analyses de métabolomiques dans les urines révèlent que des variations du pipecolate et de la taurine signent respectivement une déficience en lysine et en thréonine.

Whey protein isolates have received increasing interest due to their high nutritional value and their growing availability on the market as a co-product of cheese production. Whey protein isolates (WPI) can be aggregated upon heating to create new functional properties which depend on aggregate size and structural properties. Based on the fractal properties of these aggregates, one major application is to texture food products by two different ways: by forming a stable and thick suspension of aggregates or by forming a space filling network, through a gelation process. Fractal aggregate size generally ranges from a few hundred nanometres to a few microns at most. However, it would be interesting if their size could reach at least 30 microns (the limit of consumer perception) to increase their thickening power. Up to now, technological routes to create thickening particles were based mainly on the physico-chemical conditions of aggregation.The objective of the PhD is to study new aggregation and gelation processes with the aim to produce novel aggregate structures to enhance their texturising ability.Firstly, a good understanding of molecular self-assembly was required, taking into account the industrial process parameters. Indeed, in industrial conditions, aggregates are obtained under flow conditions at high temperature (≥75◦C) in few minutes. We developed a down scaling approach to study both the kinetics of aggregation after few seconds and its dependence with the mean shear rate in which heat transfer does not limit aggregation. The size and mass of aggregates and protein conformation were characterized by small-angle X-ray scattering and resonant mass measurement. We showed that for fractal aggregates formed at low protein and salt concentration, WPI aggregation at 92°C was limited by a step of nucleation, shear rate had no significant effect on the size of the aggregates, or on the aggregation kinetics and slower thermalization lead smaller aggregates size.Secondly, standard characterization methods of aggregates structure being limited to sub-micrometric aggregates, we developed a new method for aggregates of several tens of microns based on a covalent labelling of WPI and fluorescent microscopy. We have shown that, depending on the physico-chemical and heating conditions, the range of size where fractal aggregates exhibits a fractal dimension equal to 2 can be extended from 10 to 60 µm.Thirdly, we developed a new structuration process to spin gels of fractal aggregates by a combination of microflows and Ca2+-induced gelation. The WPI fibers presented a core-shell structure. Moreover, the size and the stability of the fiber was due to a complex interplay between different phenomena: hydrodynamics stresses, gelation kinetics, local pH changes during gelation and osmotic stresses.Finally, characterization of gelation of fractal aggregates by Ca2+ was studied in a bi-dimensional geometry in order to gain insights on the different phenomena that govern the formation and structure of the fiber. Especially, we showed the presence of osmotic flux which concentrates the aggregates in a front and form the shell of the fiber., Les isolats de protéines de lactosérum ont suscité un intérêt croissant en raison de leur haute valeur nutritionnelle et de leur disponibilité croissante sur le marché, étant un coproduit de la production de fromage. Les isolats de protéines de lactosérum peuvent être agrégés par chauffage pour créer de nouvelles propriétés fonctionnelles qui dépendent de la taille des agrégats et de leurs propriétés structurelles.Grâce aux propriétés fractales de ces agrégats, l'une des principales applications consiste à texturer les produits alimentaires et ce de deux manières différentes : en formant une suspension stable et épaisse d'agrégats ou en formant un réseau remplissant l'espace, par un processus de gélification. La taille des agrégats fractals varie généralement de quelques centaines de nanomètres à quelques microns tout au plus. Cependant, il serait intéressant que leur taille atteigne au moins 30 microns (limite de la perception du consommateur) pour augmenter leur pouvoir épaississant. Jusqu'à présent, les voies technologiques pour créer des particules aux propriétés épaississantes étaient principalement basées sur la modulation des conditions physico-chimiques lors de l'agrégation.L'objectif de la thèse est d'étudier de nouveaux processus d'agrégation et de gélification dans le but de produire de nouvelles structures d'agrégats pour améliorer leur capacité de texturation.Tout d'abord, une bonne compréhension de l'auto-assemblage moléculaire était nécessaire, en tenant compte des paramètres des processus industriels. En effet, dans des conditions industrielles, les agrégats sont obtenus dans des procédés en continu (taux de cisaillement) à une température élevée (≥75◦C) en quelques minutes. Nous avons développé un procédé d'agrégation couplée à une réduction d'échelle pour étudier à la fois la cinétique d'agrégation après quelques secondes et sa relation avec le taux de cisaillement moyen, dans lequel le transfert de chaleur ne limite pas l'agrégation. La taille et la masse des agrégats ainsi que la conformation des protéines ont été caractérisées par diffusion des rayons X aux petits angles et la mesure de masse par résonance. Nous avons montré que pour les agrégats fractals formés à faible concentration et de sel, l'agrégation des WPI à 92°C était limitée par une étape de nucléation, que le taux de cisaillement n'avait pas d'effet significatif sur la taille des agrégats et sur la cinétique d'agrégation et qu'une thermalisation plus lente conduisait à des agrégats de plus petite taille.Deuxièmement, les méthodes standards de caractérisation de la structure des agrégats étant limitées aux agrégats sub-micrométriques, nous avons développé une nouvelle méthode pour les agrégats de plusieurs dizaines de microns, basée sur un marquage covalent des WPI et la microscopie fluorescente. Nous avons montré que, selon les conditions physico-chimiques et de chauffage, la gamme de taille où les agrégats fractals présentent une dimension fractale égale à 2 peut être étendue de 10 à 60 µm.Troisièmement, nous avons développé un nouveau processus de structuration pour filer des gels d'agrégats fractals par une combinaison de micro écoulement et de gélification induite par le Ca2+. Nous avons montré que les fibres ainsi formées présentaient une structure cœur-écorce. De plus, la taille et la stabilité de la fibre étaient dues à une interaction complexe entre différents phénomènes : contraintes hydrodynamiques, cinétique de gélification, changements locaux de pH pendant la gélification et contraintes osmotiques.Enfin, la caractérisation de la gélification d'agrégats fractals par le Ca2+ a été étudiée dans une géométrie bi-dimensionnelle afin d'avoir un aperçu des différents phénomènes qui gouvernent la formation et la structure de la fibre. En particulier, nous avons montré la présence d'un flux osmotique qui concentre les agrégats dans un front et forme l'enveloppe de la fibre.

Protein-based materials are currently the subject of intense research interest since they have an extended range of potential applications, such as improved bio-membrane biocompatibility for implanted medical devices and the creation of platform materials for novel biosensors. Monomers from Ultrabithorax (Ubx) transcription factor are known to spontaneously self-assemble at an air-water interface to form a monolayer, which has then been used as a basis for forming biopolymeric fibers. In the present work we use a Ubx fusion with Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) to investigate the mechanisms of Ubx film formation, particularly during early stages of Ubx monomer aggregation at the air-water interface. Fusion of EGFP does not affect the ability of Ubx to self-assemble. However, we discovered this fusion plays an important role in the film-formation dynamics. In fact, Ubx monomers precipitate in water and, presumably due to the positive charges (predicted net charge of +11), they explode without any counter ions. The negative charges present in EGFP prevent the explosion of Ubx monomers. Following previous work on other types of protein films, critical parameters for this aggregation include the concentration of the Ubx protein and the solution in which the protein is suspended. The composition of the solution impacts the formation of the surface film of Ubx monomers and hence the properties of resulting monolayer biopolymeric membrane. Indeed, the monomer must have a determined configuration in order to aggregate. Moreover, the monomers must be at the air-water interface in order to aggregate with other monomers. Hence, conditions that promote aggregation at the surface of the water are required. Our hypothesis is that the waiting time for aggregation is an essential parameter to control to achieve an ordered structure of the biopolymeric membrane. That is, the monomers need time to change conformation, rise to the surface, then begin to aggregate and order themselves. We used the Langmuir-Blodgett (LB) technique, Brewster angle microscopy (BAM), ellipsometry and neutron reflectometry (NR) to investigate Ubx monomer aggregation and formation of the biopolymeric. Our experiments indicated that the waiting time between the introduction of Ubx monomers and the LB barrier compression was an additional critical parameter in formation of biopolymeric membranes. Moreover, we developed a new image analysis technique based on autocorrelation of Scanning Electron Microscopy (SEM) images of the biopolymeric membranes. This autocorrelation technique is applicable to any digital image, and in our experiments was used to quantify the linear structure of the Ubx biopolymeric membranes., Les matériaux à base de protéines font actuellement l'objet d'un vif intérêt de la part des chercheurs, car ils présentent un large éventail d'applications potentielles, telles que l'amélioration de la biocompatibilité des membranes biologiques pour les dispositifs médicaux implantés et la création de matériaux de plate-forme pour de nouveaux biocapteurs. Les monomères du facteur de transcription Ultrabithorax (Ubx) sont connus pour s'auto-assembler spontanément à une interface air-eau pour former une monocouche, qui a ensuite été utilisée comme base pour former des fibres biopolymériques. Dans le présent travail, nous utilisons une fusion d'Ubx avec la protéine fluorescente verte améliorée (EGFP) pour étudier les mécanismes de formation de films Ubx, en particulier pendant les premières étapes de l'agrégation des monomères Ubx à l'interface air-eau. La fusion de l'EGFP n'affecte pas la capacité d'Ubx à s'auto-assembler. Cependant, nous avons découvert que cette fusion joue un rôle important dans la dynamique de formation du film. En effet, les monomères Ubx précipitent dans l'eau et, vraisemblablement en raison des charges positives (charge nette prédite de +11), ils explosent sans contre-ions. Les charges négatives présentes dans l'EGFP empêchent l'explosion des monomères Ubx. Suite à des travaux précédents sur d'autres types de films protéiques, les paramètres critiques pour cette agrégation incluent la concentration de la protéine Ubx et la solution dans laquelle la protéine est suspendue. La composition de la solution a un impact sur la formation du film de surface de monomères Ubx et donc sur les propriétés de la membrane biopolymérique monocouche résultante. En effet, le monomère doit avoir une configuration déterminée pour pouvoir s'agréger. De plus, les monomères doivent se trouver à l'interface air-eau afin de s'agréger avec d'autres monomères. Il faut donc des conditions qui favorisent l'agrégation à la surface de l'eau. Notre hypothèse est que le temps d'attente pour l'agrégation est un paramètre essentiel à contrôler pour obtenir une structure ordonnée de la membrane biopolymérique. C'est-à-dire que les monomères ont besoin de temps pour changer de conformation, monter à la surface, puis commencer à s'agréger et à s'ordonner. Nous avons utilisé la technique de Langmuir-Blodgett (LB), la microscopie à angle de Brewster (BAM), l'ellipsométrie et la réflectométrie neutronique (NR) pour étudier l'agrégation des monomères Ubx et la formation de la biopolymère. Nos expériences ont indiqué que le temps d'attente entre l'introduction des monomères Ubx et la compression de la barrière LB était un paramètre critique supplémentaire dans la formation des membranes biopolymériques. De plus, nous avons développé une nouvelle technique d'analyse d'image basée sur l'autocorrélation des images de microscopie électronique à balayage (MEB) des membranes biopolymériques. Cette technique d'autocorrélation est applicable à toute image numérique, et dans nos expériences, elle a été utilisée pour quantifier la structure linéaire des membranes biopolymériques Ubx.

Master; Une stratégie a été mise en place pour essayer de comprendre les interactions entre les protéines sériques de lait et les protéines de lupin et ainsi étudier les plus-values texturales engendrées par l’élaboration de matrice mixte lait-lupin. Deux isolats de protéines de lupin (LPI), un LPI industriel et un LPI préparé au laboratoire à partir d’une farine de lupin ont été utilisés. Par la suite, des suspensions à différentes concentrations en protéines et à différents ratios de LPI et WPI (0LPI, 30WPI, 50WPI, 70WPI et 100WPI) ont été préparées et traités thermiquement (80°C x 20 min) afin de former des agrégats. Tous les échantillons avant et après traitement thermique ont été étudiés par granulométrie laser et électrophorèse SDS PAGE, pour déterminer la taille des particules et le type d’agrégats formés. Ces agrégats sont essentiels pour former un gel avec une texture intéressante. Une fois obtenus, ces agrégats thermo-induits ont été incorporés dans une suspension de caséines afin de tester s’ils modifient ou non les propriétés des gels acides obtenus avec un acidifiant chimique mimant l’évolution de pH d’une fermentation lactique. La texture des gels acides a ensuite été mesurée par enfoncement d’une sonde. La rigidité et la dureté des gels ont été comparées afin de mettre en avant les plus-values texturales ou non de chaque LPI. Nous avons montré que la rigidité des gels est un phénomène qui dépend de la concentration en WPI et ce quel que soit le LPI et que la dureté est améliorée lors de l’utilisation du LPI industriel.

The thermo-elastic behaviour of biological macromolecules, such as DNA and proteins, is addressed in a wide field of studies, with plenty of theoretical and practical applications. Mathematical modelling of the macromolecules’ response to deformation and to thermal fluctuations allows the validation of the statistical mechanics of small systems, through the comparison with experimental results obtained by force spectroscopy, thus providing information on the static and dynamic responses induced by applied forces. These analyses are even more important for bistable macromolecules with conformational transitions, corresponding to folding/unfolding processes between two stable positions. In order to obtain analytically the force-deformation response of a chain composed of bistable units, it is necessary to calculate the partition functions, which are essential objects of the statistical mechanics. Thus, the bistable potential energy is decomposed into two parabolas, both corresponding to the folded and unfolded states and identified using the spin variables technique, largely used throughout the manuscript. The first part of this thesis concerns the extensibility of the bonds between the bistable units of a chain. The second part allows us to consider the interactions between the bistable units of a chain, thanks to the Ising model. The third part deals with heterogeneity, an important parameter to determine the unfolding sequence in proteins unfolding. Finally, in the last part, the dynamics of deformation is described.; Le comportement thermoélastique des macromolécules biologiques, telles que l’ADN et les protéines, est abordé dans un vaste champ d'études, aux nombreuses applications théoriques et pratiques. La modélisation mathématique de la réponse des macromolécules à la déformation et aux fluctuations thermiques permet de tester la validité de la mécanique statistique des petits systèmes, grâce à la comparaison avec les résultats expérimentaux obtenus par la spectroscopie de force, qui fournit des informations sur les réponses statiques et dynamiques induites par les forces appliquées. Ces analyses sont encore plus importantes pour les macromolécules bistables présentant des transitions conformationnelles, correspondant à des processus de pliage/dépliage entre deux positions stables. Pour obtenir analytiquement la réponse force-déformation d’une chaîne composée d’unités bistables, il est nécessaire de calculer les fonctions de partition, essentielles en mécanique statistique. Ainsi, l’énergie potentielle bistable est décomposée en deux paraboles, correspondant l’une et l’autre aux états plié et déplié et identifiées grâce à la technique des variables de spin, utilisée tout au long du manuscrit. La première partie de cette thèse concerne l’extensibilité des liens entre les unités bistables d’une chaîne. La seconde partie permet, quant à elle, de considérer les interactions entre les unités bistables d’une chaîne, grâce au modèle d’Ising. Dans la troisième partie, il est question de l’hétérogénéité, paramètre important pour déterminer la séquence de dépliage dans le repliement des protéines. Enfin, dans la dernière partie, la dynamique de la déformation est décrite.

The thermo-elastic behaviour of biological macromolecules, such as DNA and proteins, is addressed in a wide field of studies, with plenty of theoretical and practical applications. Mathematical modelling of the macromolecules’ response to deformation and to thermal fluctuations allows the validation of the statistical mechanics of small systems, through the comparison with experimental results obtained by force spectroscopy, thus providing information on the static and dynamic responses induced by applied forces. These analyses are even more important for bistable macromolecules with conformational transitions, corresponding to folding/unfolding processes between two stable positions. In order to obtain analytically the force-deformation response of a chain composed of bistable units, it is necessary to calculate the partition functions, which are essential objects of the statistical mechanics. Thus, the bistable potential energy is decomposed into two parabolas, both corresponding to the folded and unfolded states and identified using the spin variables technique, largely used throughout the manuscript. The first part of this thesis concerns the extensibility of the bonds between the bistable units of a chain. The second part allows us to consider the interactions between the bistable units of a chain, thanks to the Ising model. The third part deals with heterogeneity, an important parameter to determine the unfolding sequence in proteins unfolding. Finally, in the last part, the dynamics of deformation is described.; Le comportement thermoélastique des macromolécules biologiques, telles que l’ADN et les protéines, est abordé dans un vaste champ d'études, aux nombreuses applications théoriques et pratiques. La modélisation mathématique de la réponse des macromolécules à la déformation et aux fluctuations thermiques permet de tester la validité de la mécanique statistique des petits systèmes, grâce à la comparaison avec les résultats expérimentaux obtenus par la spectroscopie de force, qui fournit des informations sur les réponses statiques et dynamiques induites par les forces appliquées. Ces analyses sont encore plus importantes pour les macromolécules bistables présentant des transitions conformationnelles, correspondant à des processus de pliage/dépliage entre deux positions stables. Pour obtenir analytiquement la réponse force-déformation d’une chaîne composée d’unités bistables, il est nécessaire de calculer les fonctions de partition, essentielles en mécanique statistique. Ainsi, l’énergie potentielle bistable est décomposée en deux paraboles, correspondant l’une et l’autre aux états plié et déplié et identifiées grâce à la technique des variables de spin, utilisée tout au long du manuscrit. La première partie de cette thèse concerne l’extensibilité des liens entre les unités bistables d’une chaîne. La seconde partie permet, quant à elle, de considérer les interactions entre les unités bistables d’une chaîne, grâce au modèle d’Ising. Dans la troisième partie, il est question de l’hétérogénéité, paramètre important pour déterminer la séquence de dépliage dans le repliement des protéines. Enfin, dans la dernière partie, la dynamique de la déformation est décrite.

The concept of biorefinery has emerged as an industrial facility where biomass is transformed into a wide range of marketable products and energy, and the accumulation of agro-residues is significantly reduced. This work proposed a biorefinery scheme from corn germ and walnut press-cake as by-products. For corn germ, the scheme involved a first step of oil recovery by different methods followed by protein extraction while solid residues were assessed for stabilizing emulsions (Pickering emulsions). It was demonstrated that protein functionalities (such as solubility, water absorption, foaming and emulsifying capacities) were influenced by oil extraction method, and that corn germ meals showed high capacity to stabilize oil-in-water emulsions. For walnut press-cake, a source of oil and phenolic antioxidants, the scheme focused on ultrasound assisted extraction of phenolics from the defatted cake, and the stabilizing ability of the residue particles. Extracts exhibited a high capacity of scavenging free radicals (DPPH) and walnut cake particles allowed to fabricate highly stable oil-in-water emulsions with fine droplets (1-2 µm). Ultrasound assisted extraction was also applied to recover phenolics from a third by-product that was a grape pomace. Influent parameters of extraction were statistically identified for both matrices with trends positively modeled by second-order polynomial equations.; Le concept de bioraffinerie désigne le procédé de transformation de la biomasse en divers produits commercialisables et en énergie, l’accumulation d’agro-résidus étant ainsi significativement réduite. Ce travail propose un processus de bioraffinerie du germe de maïs et du tourteau de pressage de noix. Pour le germe de maïs, le procédé comporte une première étape d’extraction d’huile pour laquelle différentes méthodes ont été mises en œuvre, suivie de l’extraction des protéines et de l’évaluation du potentiel stabilisant des résidus solides (émulsions de Pickering). Il a été montré que la méthode d’extraction d’huile influençait les fonctionnalités (solubilité, capacité d’absorption d’eau, propriétés moussantes et émulsifiantes) des protéines et que les farines de germe de maïs étaient des agents stabilisants d’émulsions huile dans eau (H/E) performants. Pour le tourteau de noix, source d’huile et de composés phénoliques antioxydants, le travail s’est focalisé sur l’extraction assistée par ultrasons de composés phénoliques du tourteau deshuilé et l’évaluation des capacités émulsifiantes des résidus solides. Les extraits ont montré une forte capacité à piéger les radicaux libres et les résidus solides ont permis de fabriquer des émulsions H/E fines très stables. L’extraction assistée par ultrasons a également été appliquée à l’extraction des composés phénoliques d’un troisième co-produit, le marc de raisin. Les paramètres statistiquement influents ont été identifiés pour les deux matrices.

The specific detection of proteins is a major challenge in many biotechnological fields such as biomedical diagnostics or fundamental understanding complex protein interactions. Solid-state nanopores are microfabricated nanoscale apertures in thin dielectric membranes that have raised attention as label-free single-molecule biosensors with high sensitivity. A voltage is applied across the membrane, which drives biomolecules through the nanopore. When the analyte crosses the nanopore, it causes a current blockage for a certain time that provides a specific electrical signature for each molecule of interest. During this thesis, a cleanroom process flow has been developed for the fabrication of nanopore chips as well as the drilling of 15 nm diameter nanopore in a 20 nm thick silicon nitride membrane using a Transmission Electron Microscope. The experimental bench for nanopore sensing has been built up and tested. α-thrombin, ɣ-thrombin (5 nm diameter globular proteins) and prothrombin (5 nm x 9 nm oblate spheroid) are three closely-related proteins involved in blood coagulation cascade. They have been sensed using a bare nanopore down to 1 nM concentration, and prothrombin could be discriminated thanks to its bigger size. In order to discriminate α-thrombin from ɣ-thrombin, which have similar sizes, the nanopore’s surface has been chemically functionalized with aptamers. Aptamers are short single stranded DNA sequences selected for their affinity towards a specific biomolecule. We used an aptamer specifically recognizing α-thrombin. We demonstrated that the nanopore functionalization was successful thanks to a measured diameter reduction of the nanopore. Moreover, α-thrombin and ɣ-thrombin present different electrostatic interactions with the functionalization surface of the nanopore, hence a different dwell-time signature in the pore and could be discriminated. Aptamer-functionalized nanopores provide promising and versatile biosensing performances.; La détection spécifique de protéines est un enjeu majeur dans de nombreux domaines biotechnologiques tels que le diagnostic biomédical ou la compréhension fondamentale des mécanismes d’interaction entre protéines. Les nanopores solides sont des ouvertures de taille nanométriques micro-fabriqués dans des membranes diélectriques fines. Ils sont prometteurs en tant que biocapteurs sensibles pour la détection sans marquages de molécules uniques. Une tension est appliquée de part et d’autre de la membrane, ce qui entraine les biomolécules au travers du pore. Lorsque l’une d’entre elles traverse le nanopore, elle génère un blocage de courant pendant un certain temps, ce qui offre une signature spécifique pour chaque biomolécule d’intérêt. Durant ces travaux de thèse, un procédé en salle blanche a été développé afin de fabriquer des puces avec nanopore. Une autre technique a été d’utiliser un microscope à transmission électronique pour percer des nanopores de 15 nm de diamètre dans des membranes de nitrure de silicium de 20 nm d’épaisseur. Un banc expérimental pour la détection par nanopore a été construit et testé. α-thrombine, ɣ-thrombine (protéines globulaires de 5 nm de diamètre) et prothrombine (sphéroïde de dimensions 5 nm x 9 nm) sont trois protéines de structures proches impliquées dans la coagulation sanguine. Elles ont été détectées avec un nanopore à une concentration de 1 nM. De plus, prothrombine a été discriminée de α-thrombine et ɣ-thrombine grâce à sa plus grande taille. A cause de leur taille similaire et donc de la même signature de blocage de courant qu’elles génèrent, α-thrombine et ɣ-thrombine n’ont pas été discriminée dans ce pore. La surface du nanopore a donc été fonctionnalisée avec des aptamères. Les aptamères sont de courtes séquences d’ADN simple brin capables de se lier avec une grande affinité à des biomolécules. Nous avons choisi un aptamère reconnaissant spécifiquement α-thrombine. La fonctionnalisation a été prouvée grâce à une réduction mesurée du diamètre du nanopore. α-thrombine et ɣ-thrombine ont des interactions électrostatiques différentes l’une et l’autre avec les aptamères en surface. Nous avons donc pu observer des temps de passage différents dans le nanopore fonctionnalisé entre ces deux protéines et avons pu les discriminer. Les nanopores fonctionnalisés avec aptamères offrent donc des performances prometteuses et polyvalentes en matière de bio-détection.

The specific detection of proteins is a major challenge in many biotechnological fields such as biomedical diagnostics or fundamental understanding complex protein interactions. Solid-state nanopores are microfabricated nanoscale apertures in thin dielectric membranes that have raised attention as label-free single-molecule biosensors with high sensitivity. A voltage is applied across the membrane, which drives biomolecules through the nanopore. When the analyte crosses the nanopore, it causes a current blockage for a certain time that provides a specific electrical signature for each molecule of interest. During this thesis, a cleanroom process flow has been developed for the fabrication of nanopore chips as well as the drilling of 15 nm diameter nanopore in a 20 nm thick silicon nitride membrane using a Transmission Electron Microscope. The experimental bench for nanopore sensing has been built up and tested. α-thrombin, ɣ-thrombin (5 nm diameter globular proteins) and prothrombin (5 nm x 9 nm oblate spheroid) are three closely-related proteins involved in blood coagulation cascade. They have been sensed using a bare nanopore down to 1 nM concentration, and prothrombin could be discriminated thanks to its bigger size. In order to discriminate α-thrombin from ɣ-thrombin, which have similar sizes, the nanopore’s surface has been chemically functionalized with aptamers. Aptamers are short single stranded DNA sequences selected for their affinity towards a specific biomolecule. We used an aptamer specifically recognizing α-thrombin. We demonstrated that the nanopore functionalization was successful thanks to a measured diameter reduction of the nanopore. Moreover, α-thrombin and ɣ-thrombin present different electrostatic interactions with the functionalization surface of the nanopore, hence a different dwell-time signature in the pore and could be discriminated. Aptamer-functionalized nanopores provide promising and versatile biosensing performances.; La détection spécifique de protéines est un enjeu majeur dans de nombreux domaines biotechnologiques tels que le diagnostic biomédical ou la compréhension fondamentale des mécanismes d’interaction entre protéines. Les nanopores solides sont des ouvertures de taille nanométriques micro-fabriqués dans des membranes diélectriques fines. Ils sont prometteurs en tant que biocapteurs sensibles pour la détection sans marquages de molécules uniques. Une tension est appliquée de part et d’autre de la membrane, ce qui entraine les biomolécules au travers du pore. Lorsque l’une d’entre elles traverse le nanopore, elle génère un blocage de courant pendant un certain temps, ce qui offre une signature spécifique pour chaque biomolécule d’intérêt. Durant ces travaux de thèse, un procédé en salle blanche a été développé afin de fabriquer des puces avec nanopore. Une autre technique a été d’utiliser un microscope à transmission électronique pour percer des nanopores de 15 nm de diamètre dans des membranes de nitrure de silicium de 20 nm d’épaisseur. Un banc expérimental pour la détection par nanopore a été construit et testé. α-thrombine, ɣ-thrombine (protéines globulaires de 5 nm de diamètre) et prothrombine (sphéroïde de dimensions 5 nm x 9 nm) sont trois protéines de structures proches impliquées dans la coagulation sanguine. Elles ont été détectées avec un nanopore à une concentration de 1 nM. De plus, prothrombine a été discriminée de α-thrombine et ɣ-thrombine grâce à sa plus grande taille. A cause de leur taille similaire et donc de la même signature de blocage de courant qu’elles génèrent, α-thrombine et ɣ-thrombine n’ont pas été discriminée dans ce pore. La surface du nanopore a donc été fonctionnalisée avec des aptamères. Les aptamères sont de courtes séquences d’ADN simple brin capables de se lier avec une grande affinité à des biomolécules. Nous avons choisi un aptamère reconnaissant spécifiquement α-thrombine. La fonctionnalisation a été prouvée grâce à une réduction mesurée du diamètre du nanopore. α-thrombine et ɣ-thrombine ont des interactions électrostatiques différentes l’une et l’autre avec les aptamères en surface. Nous avons donc pu observer des temps de passage différents dans le nanopore fonctionnalisé entre ces deux protéines et avons pu les discriminer. Les nanopores fonctionnalisés avec aptamères offrent donc des performances prometteuses et polyvalentes en matière de bio-détection.

The nanoprecipitation technique is a reliable route to synthesize oil filled nanocapsules with shells made of hydrophilic polymers such as polysaccharides and vinyl based glycopolymers in a one pot procedure. Thanks to their biocompatibility, biodegradability and tunable biological activity, proteins are another promising class of materials for encapsulation purposes. However, the generation of proteinaceous nanocapsules by nanoprecipitation has never been reported. In this context, the main objective of this PhD was to evaluate the potential of a family of proteins, the Suckerins, in nanoprecipitation processes. Suckerins are a family of proteins found in the sucker ring teeth of the giant Humboltd squid with promising biomedical applications. These proteins possess a modular, block copolymer like structure capable of forming β-sheets responsible for good mechanical properties. The suckerin proteins are not soluble at a pH range between 5 and 10, a requirement of the nanoprecipitation technique. However, they can be solubilized using aqueous buffers at pH 3 containing acetic acid. Other ways of precipitating the protein were explored in this manuscript with salt shifting using ammonium persulphate as coacervation agents being capable of generating 100 nm nanoparticles. These nanoparticles presented the β sheet secondary structure which resulted in Young modulus in the GPa range. A fusion protein that could be solubilized in aqueous solutions at pH 7, and therefore be used in the nanoprecipitration process, was recombinantly produced. The protein (suckerin silk) is formed by a central squid suckerin-derived peptide block that provides structural stability and both termini from silk fibroins that make the modular protein highly soluble at physiological pH. This molecular design allowed the fabrication of hexadecane and miglyol filled nanocapsules with suckerin silk shells and sizes in the range 190 – 250 nm. Finally, aiming to encapsulate an anti cancer drug in glycogen nanocapsules we developed a protocol where the nanoprecipitation process is used to generate glycogen coated prodrug nanoparticles., La technique de nanoprécipitation est une méthode simple et reproductible pour la synthèse de nanocapsules à coeur huileux recouvertes d’une enveloppe de polymères hydrophiles réticulés (polysaccharides, glycopolymères vinyliques…) en une seule étape. Grâce à leur biocompatibilité, leur biodégradabilité et leur activité biologique adaptables, les protéines constituent une autre grande famille de biopolymères d’intérêt pour des applications dans le domaine de l’encapsulation. Cependant, la production de nanocapsules protéiques par nanoprécipitation n’a jamais été décrite. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce travail de thèse a été l’évaluation du potentiel d’une famille de protéines, les Suckerines, pour le procédé de nanoprécipitation. Les Suckerines sont une famille de protéines issues des dents décorant les ventouses du calamar géant Humboldt avec de prometteuses applications dans le domaine biomédical. Ces protéines possèdent une structure modulaire de type copolymère à bloc capable de former des feuillets bêta conférant de bonnes propriétés mécaniques. Les suckerines étant solubles dans une solution tampon composée d’acide acétique (pH 3) mais fortement agrégées dans les conditions de pH (valeurs comprises entre 5 et 10) classiquement utilisées pour la préparation de nanocapsules à coeur huileux par basculement de solvant, nous avons finalement choisi d’explorer la nanoprécipitation des protéines par salt shifting et donc la préparation de nanoparticules protéiques. L’utilisation du persulfate d’ammonium comme agent de coacervation et précurseur de radicaux et du tris(2,2′ bipyridyl)dichlororuthenium(II) hexahydrate a permis de produire des nanoparticules de suckerine de tailles modulables (100-185 nm de diamètre). Ces nanoparticules présentent des structures secondaires type feuillets bêta qui sont à l’origine du module de Young très élevé observé pour ces nano-objets (de l’ordre de grandeur du GPa). Une protéine de fusion, soluble en milieu aqueux à pH 7 a spécialement été conçue par voie de recombinaison dans le but de générer des nanocapsules protéiques par nanoprécipitation. Cette protéine (suckerine-soie) est formée d’un bloc central de peptide dérivé de suckerine de calamar promouvant une stabilité structurelle et deux blocs terminaux issus de fibroïnes de soie qui permettent à la protéine de fusion d’être soluble à un pH physiologique. Ce design moléculaire a permis la fabrication de nanocapsules remplies respectivement de hexadécane ou de miglyol avec une enveloppe de suckerine-soie et de tailles de l’ordre de grandeur de 190 à 250 nm. Finalement, aspirant à encapsuler un principe actif anti-cancéreux dans les nanocapsules à base de glycogène, nous avons développé un protocole où la méthode de nanoprécipitation est utilisée pour produire des nanoparticules de prodrogue entourés de glycogène.

Viruses are in many ways fascinating biological systems. They vary in their structure, their replication methods, and in their target hosts. They are the smallest self-replicating and self-assembling entities on Earth. Viruses are partly made of a protein shell called the capsid, the most important and interesting component as it encloses their genetic material. The main role of the capsid is to protect the viral genome. As a result and despite their smallness, they have evolved to sustain high external or internal constraints. However, the mechanisms underlying the appearance of viruses (through the capsids shape) and those that bring their high resistances are still poorly understood. Such problematics are of great interest as they could lead to the development of artificial nanocages. Viral derived nanocages are promising for various bioappplications, such as gene therapies or nanoapplications, such as drug delivery. The work I propose in my Ph.D. aims to contribute modestly to the understanding of viral assembly and stability using both analytical and numerical investigations.Viruses are biological structures produced thanks to molecular self-assembly. Because the final crystal is too be curved, the induced elastic stress is relaxed thanks to the introduction of topological defects in the protein lattice. We propose in the Ph.D. thesis a quantitative mechanism for this phenomenon by using standard thin shell elasticity. In particular, we show that the type and the angular location of a defect is determined by the value of the azimuthal stress that characterizes compressive or tensile regions. The elastic model proposed permits us to compare quantitatively the relaxation of mechanical stress induced by various defect distributions.Testing the mechanical stability of viral particles is possible thanks to nanoindentation experiments by atomic force microscopy. Using a coarse-grained molecular simulation of a viral structure, we build in the Ph.D. thesis a framework to help interpret mechanical information obtained by such nanoexperiments. More specifically, non-vanishing Gaussian curvature of viruses and the geometry of the tip have an influence on the viral quantitative stiffnesses that can be extracted. The coalescence of analytical and numerical results enables us to capture and rationalize the latter influence. We hope the latter work to be of interest for following investigations regarding mechanical aspects of viruses.; Les différentes propriétés des virus en font des objets intéressants et fascinants. On peut en trouver de différentes structures, avec des méthodes de réplication différentes et ils sont spécifiques à leurs cibles. Ils constituent la plus petite entité auto-assemblée, elle-même encodée par un matériel génétique. Ce génome est protégé par une capside à l'intérieur virus lui-même. La capside est le constituant le plus important d'un virus. Son rôle est de protéger le génome viral des agressions extérieures. De fait, elle peut supporter de hautes contraintes mécaniques ou chimiques externes et/ou internes. Cependant, les mécanismes conduisant à leur construction, influençant leurs formes et leur conférant cette résistance sont toujours assez peu compris. Ces problématiques présentent un intérêt majeur car elles ouvrent la porte au développement de nanocages. Ces nanocages inspirées des virus pourraient être particulièrement utiles pour des applications biologiques, en thérapie génique par exemple, ou des applications technologiques, comme la délivrance de médicaments à des cibles spécifiques. Le travail présenté dans cette thèse se propose modestement de contribuer à la compréhension de l'auto-assemblage et de la stabilité virale en utilisant des modèles numériques et analytiques.Les virus sont des échafaudages biologiques auto-assemblés. La structure finale étant nécessairement courbée, la contrainte élastique au cours de l'auto-assemblage due à la courbure est relachée par l'inclusion de défauts topologiques dans le réseau protéique. Dans cette thèse, par l'utilisation de la physique de l'élasticité en milieu continu, on propose un mécanisme pour ce phénomène. En particulier, on montre que le type et la localisation angulaire du défaut à la frontière de l'assemblage sont deux paramètres fixés par la contrainte azimuthale, celle-ci pouvant être compressive ou extensive. Le modèle élastique proposé permet de comparer et d'évaluer l'effet relaxant de différentes distributions de défauts topologiques dans la structure.L'évaluation et les tests de stabilité mécaniques des structures virales ont été rendus possible par les expériences de nanoindentation par microscopie à force atomique. En utilisant une simulation numérique de dynamique moléculaire d'une structure virale gros-grains, on construit dans cette thèse un cadre de travail permettant d'aider à l'interprétation des informations mécaniques tirées de ces expériences. Plus spécifiquement, la courbure Gaussienne non-nulle du virus indenté et la géométrie de la pointe utilisée pour l'indentation ont des influences sur la rigidité mécanique effective pouvant être extraite expérimentalement. La coalescence de résultats numériques et théoriques nous permet de capturer et de rationaliser cette influence. On espère que ce travail pourra être d'intérêt pour des recherches futures portant sur les propriétés mécaniques des virus.

Viruses are in many ways fascinating biological systems. They vary in their structure, their replication methods, and in their target hosts. They are the smallest self-replicating and self-assembling entities on Earth. Viruses are partly made of a protein shell called the capsid, the most important and interesting component as it encloses their genetic material. The main role of the capsid is to protect the viral genome. As a result and despite their smallness, they have evolved to sustain high external or internal constraints. However, the mechanisms underlying the appearance of viruses (through the capsids shape) and those that bring their high resistances are still poorly understood. Such problematics are of great interest as they could lead to the development of artificial nanocages. Viral derived nanocages are promising for various bioappplications, such as gene therapies or nanoapplications, such as drug delivery. The work I propose in my Ph.D. aims to contribute modestly to the understanding of viral assembly and stability using both analytical and numerical investigations.Viruses are biological structures produced thanks to molecular self-assembly. Because the final crystal is too be curved, the induced elastic stress is relaxed thanks to the introduction of topological defects in the protein lattice. We propose in the Ph.D. thesis a quantitative mechanism for this phenomenon by using standard thin shell elasticity. In particular, we show that the type and the angular location of a defect is determined by the value of the azimuthal stress that characterizes compressive or tensile regions. The elastic model proposed permits us to compare quantitatively the relaxation of mechanical stress induced by various defect distributions.Testing the mechanical stability of viral particles is possible thanks to nanoindentation experiments by atomic force microscopy. Using a coarse-grained molecular simulation of a viral structure, we build in the Ph.D. thesis a framework to help interpret mechanical information obtained by such nanoexperiments. More specifically, non-vanishing Gaussian curvature of viruses and the geometry of the tip have an influence on the viral quantitative stiffnesses that can be extracted. The coalescence of analytical and numerical results enables us to capture and rationalize the latter influence. We hope the latter work to be of interest for following investigations regarding mechanical aspects of viruses.; Les différentes propriétés des virus en font des objets intéressants et fascinants. On peut en trouver de différentes structures, avec des méthodes de réplication différentes et ils sont spécifiques à leurs cibles. Ils constituent la plus petite entité auto-assemblée, elle-même encodée par un matériel génétique. Ce génome est protégé par une capside à l'intérieur virus lui-même. La capside est le constituant le plus important d'un virus. Son rôle est de protéger le génome viral des agressions extérieures. De fait, elle peut supporter de hautes contraintes mécaniques ou chimiques externes et/ou internes. Cependant, les mécanismes conduisant à leur construction, influençant leurs formes et leur conférant cette résistance sont toujours assez peu compris. Ces problématiques présentent un intérêt majeur car elles ouvrent la porte au développement de nanocages. Ces nanocages inspirées des virus pourraient être particulièrement utiles pour des applications biologiques, en thérapie génique par exemple, ou des applications technologiques, comme la délivrance de médicaments à des cibles spécifiques. Le travail présenté dans cette thèse se propose modestement de contribuer à la compréhension de l'auto-assemblage et de la stabilité virale en utilisant des modèles numériques et analytiques.Les virus sont des échafaudages biologiques auto-assemblés. La structure finale étant nécessairement courbée, la contrainte élastique au cours de l'auto-assemblage due à la courbure est relachée par l'inclusion de défauts topologiques dans le réseau protéique. Dans cette thèse, par l'utilisation de la physique de l'élasticité en milieu continu, on propose un mécanisme pour ce phénomène. En particulier, on montre que le type et la localisation angulaire du défaut à la frontière de l'assemblage sont deux paramètres fixés par la contrainte azimuthale, celle-ci pouvant être compressive ou extensive. Le modèle élastique proposé permet de comparer et d'évaluer l'effet relaxant de différentes distributions de défauts topologiques dans la structure.L'évaluation et les tests de stabilité mécaniques des structures virales ont été rendus possible par les expériences de nanoindentation par microscopie à force atomique. En utilisant une simulation numérique de dynamique moléculaire d'une structure virale gros-grains, on construit dans cette thèse un cadre de travail permettant d'aider à l'interprétation des informations mécaniques tirées de ces expériences. Plus spécifiquement, la courbure Gaussienne non-nulle du virus indenté et la géométrie de la pointe utilisée pour l'indentation ont des influences sur la rigidité mécanique effective pouvant être extraite expérimentalement. La coalescence de résultats numériques et théoriques nous permet de capturer et de rationaliser cette influence. On espère que ce travail pourra être d'intérêt pour des recherches futures portant sur les propriétés mécaniques des virus.

Sport became in a few years an element of an active and healthy lifestyle sought by many people. This active lifestyle has an impact on the explosion in the use of fitness rooms but also on the consumption of sports nutrition products. The sports nutrition market is expanding by focusing on experienced and professional athletes but also amateurs. They are looking for products that can support them in their sports activity (muscle gain, fat loss, performance improvement) and in their recovery. Among the most prominent products, we find those with proteins and amino acids. Often marketed in powder or capsule forms, they are also available in nomadic products such as protein drinks and protein bars. The pharmacist can choose to reference it in his pharmacy. He must then be able to advise them to athletes according to their situation and their objectives. This thesis presents the biochemistry of proteins and muscle physiology, then the various supplements containing proteins and amino acids as well as their advice to the pharmacy.; Le sport est devenu en quelques années un élément d’un style de vie actif et sain recherché par de nombreuses personnes. Ce mode de vie actif se répercute sur l’explosion de la fréquentation des salles de remise en forme mais aussi sur la consommation de produits de nutrition sportive. Le marché de la nutrition sportive ne cesse donc de s’élargir en s’intéressant aux sportifs confirmés et professionnels mais également amateurs. Ces derniers recherchent des produits pouvant les soutenir dans leur activité sportive (gain musculaire, perte de graisse, amélioration des performances) et dans leur récupération. Parmi les produits les plus en vue, on retrouve ceux à base de protéines et d’acides aminés. Souvent commercialisés sous forme de poudre ou gélule, ils sont aussi déclinés en produits nomades comme les boissons et les barres protéinées. Le pharmacien peut choisir d’en référencer dans son officine. Il doit alors être capable de les conseiller aux sportifs selon leur situation et leurs objectifs. Cette thèse présente, dans un premier temps, la biochimie des protéines ainsi que la physiologie musculaire, puis, les différents compléments contenant des protéines et acides aminés ainsi que leurs conseils à l’officine.

Amyloids are characterized by their capacity to bind Congo red (CR), one of the most used amyloid-specific dyes. The structural features of CR binding were unknown for years, mainly because of the lack of amyloid structures solved at high resolution. In the last few years, solid-state NMR spectroscopy enabled the determination of the structural features of amyloids, such as the HET-s prion forming domain (HET-s PFD), which also has recently been used to determine the amyloid-CR interface at atomic resolution. Herein, we combine spectroscopic data with molecular docking, molecular dynamics, and excitonic quantum/molecular mechanics calculations to examine and rationalize CR binding to amyloids. In contrast to a previous assumption on the binding mode, our results suggest that CR binding to the HET-s PFD involves a cooperative process entailing the formation of a complex with 1:1 stoichiometry. This provides a molecular basis to explain the bathochromic shift in the maximal absorbance wavelength when CR is bound to amyloids.

The interest for a better understanding of ion-exchange mechanisms at the atomic level has strongly increased over the past decades. Indeed, molecular-level information about physic-chemical mechanisms could help optimizing chromatographic processes for protein purification, which are sub-optimized and still based on empirical methods. Furthermore, behaviors observed in a single-component system cannot be adapted to more complex systems due to the occurrence of phenomena such as protein-protein competition or protein-support interactions. In this context, a promising approach is the use of molecular simulations to investigate local phenomena inside the adsorbents (ion-exchange resin) as a complement to sophisticated experimental techniques, which are difficult to implement and tend to be expensive. Thus, molecular simulations may allow to study protein interactions in its environment, especially with the chromatographic resin, but also to identify possible conformational changes. In this work, the use of molecular simulations is proposed and discussed by comparing simulations against data from macroscopic scale experiments. In particular, ion-exchange equilibrium was studied through adsorption isotherms experiments and application of the Steric Mass Action law in order to evaluate the reliability of this strategy. The first results from molecular simulations obtained with a model system allowed to acquire a molecular insight of retention mechanism of the protein on the chromatographic surface and in particular to identify preferential orientations. Moreover, the comparison of two physical parameters obtained from both approaches (in silico and experiments) showed a good agreement, emphasizing that the use of this kind of numerical method is useful in the field. Modeling the environment effects (pH, ionic strength, competitive proteins) seems also promising, though a deeper investigation and the use of other numerical approaches dedicated to the system complexity should be carried out.; La compréhension des mécanismes d’échange d’ions à l’échelle locale a connu un fort intérêt ces dernières décennies. En effet, des informations à l’échelle atomique des mécanismes physico-chimiques pourraient permettre l’optimisation des procédés chromatographiques à l’échelle industrielle, qui restent à ce jour sous-optimisés car largement basés sur des méthodes empiriques. De plus, certains comportements observés en système mono-constituant ne peuvent être transposés à des cas plus complexes du fait de l’apparition de phénomènes tels que les interactions protéines-support ou encore la compétition protéine-protéine. Dans ce contexte, une approche particulièrement prometteuse est d’utiliser la simulation moléculaire pour étudier ces phénomènes locaux à l’intérieur des adsorbants (résines échangeuses d’ions) en complément aux techniques expérimentales sophistiquées, qui s’avèrent difficiles à mettre en œuvre et généralement très coûteuses. La simulation moléculaire peut ainsi permettre d’étudier les interactions d’une protéine dans son environnement, notamment avec la résine chromatographique, mais aussi d’identifier d’éventuels changements conformationnels. Dans ce travail, l’utilisation de la simulation moléculaire est proposée et discutée en confrontant les données obtenues numériquement à des données d’expériences réalisées à l’échelle macroscopique. En particulier, l’équilibre d’échange d’ions a été étudiée avec mesure des isothermes d’adsorption et application de la loi d’Action de Masse Stérique, afin d’évaluer la pertinence de cette approche. Les premiers résultats de simulations moléculaires obtenus sur un système modèle ont ainsi permis d’acquérir une vision moléculaire du mécanisme de rétention de la protéine étudiée sur la surface chromatographique et notamment de mettre en évidence des orientations préférentielles. De plus, la comparaison de deux paramètres physiques calculés à partir des deux approches (in silico et expérimentale) a montré un bon accord, indiquant que l’utilisation de ce type de méthode numérique est prometteuse dans ce domaine. La modélisation des effets de l’environnement (pH, force ionique, protéines en compétition) semble également prometteuse, mais nécessiterait une plus grande investigation et l’utilisation d’approches numériques plus adaptées à la complexité du système.

The aim of this work is to identify NMR and CD characteristic patterns for β- and γ-turns in bioactive peptides by molecular modelling. With helices, β- and γ-turns constitute favoured recognition motifs in bioactive peptides by their targets. Even though several classes of turns with different geometries exist in polypeptide structures (2 γ-turn types and 12 β-turn types), few experimental tools are available for their characterization. Thus, only 4 types of β-turns (I, I’, II et II’) have been, at present, described by NMR and there are no reliable reference CD spectra for turns. In order to extend the NMR data for all β- and γ-turn types, we analyzed NMR structural parameters (inter-hydrogen distances and ᶾJʜɴ-ʜꭤ coupling constants) in a representative peptide model dataset extracted from the PDB. The inter-hydrogen distance analysis allowed to identify specific NMR patterns for the two γ-turn types and for four β-turn types (IV₁, IV₂,, VIb and VIII). ᶾJʜɴ-ʜꭤ coupling constant may be used to confirm the identification and to remove ambiguities. Then, we simulated the reference CD spectra of model peptides adopting type I, I’, II and II’ β-turn conformations by combining molecular dynamic simulations and TDDFT computations. These computations allowed to determine two families of specific CD spectra : types I/II’, on one side and types I’/II, on the other. All these results indicate that the turns do not present the same patterns in both techniques. The combination of NMR and CD could therefore allow a better identification of the nature and the different types of turns.; Ce travail de thèse a porté sur la recherche, par modélisation moléculaire, de signatures RMN et DC caractéristiques pour les coudes γ et β dans les peptides bioactifs. Les coudes γ et β, avec les hélices, constituent des motifs privilégiés de reconnaissance des peptides bioactifs par leurs cibles. Or, bien qu’il existe, au sein des structures de polypeptides, plusieurs catégories de coudes possédant des géométries différentes (2 types de coudes γ et 12 types de coudes β), peu d’outils expérimentaux sont disponibles pour aider à leur distinction. Ainsi, seuls 4 types de coudes β (I, I’, II et II’) ont, pour l’instant été caractérisés par RMN et il n’existe pas de spectre DC de référence fiable pour aucun motif de type coude. Dans un premier temps, afin d’élargir la base de données de RMN pour tous les types de coudes β (I, I’, II, II’, IV₁, IV₂, IV₃, IV₄, Via1, Via2, VIb et VIII) et γ (classique et inverse), nous avons analysé les paramètres structuraux caractéristiques de RMN (distances inter-hydrogènes et constantes de couplages ᶾJʜɴ-ʜꭤ) sur un ensemble de peptides modèles, extraits de la banque de protéines PDB et représentatifs de ces coudes. Les analyses des distances inter-hydrogènes ont permis d’identifier des signatures RMN caractéristiques pour différencier les deux types de coudes γ et certains types de coudes β (IV₁, IV₂,, VIb et VIII). La constante de couplage ᶾJʜɴ-ʜꭤ pourra servir à confirmer l’identification et à lever des ambiguïtés. Dans un second temps, en couplant dynamique moléculaire et TDDFT, nous avons simulé les spectres de DC de référence de peptides modèles adoptant des conformations de coudes β de type I, I’, II et II’. Les simulations ont permis de discerner deux familles de spectres DC caractéristiques : les types I/II’ d’un côté et les types I’/II de l’autre. L’ensemble de ces résultats indique que les coudes ne présentent pas nécessairement les mêmes signatures pour les deux techniques. La combinaison des signatures discriminantes de RMN et de DC pourrait donc permettre une meilleure identification des natures et des différents types de coudes.

The concept of biorefinery has emerged as an industrial facility where biomass is transformed into a wide range of marketable products and energy, and the accumulation of agro-residues is significantly reduced. This work proposed a biorefinery scheme from corn germ and walnut press-cake as by-products. For corn germ, the scheme involved a first step of oil recovery by different methods followed by protein extraction while solid residues were assessed for stabilizing emulsions (Pickering emulsions). It was demonstrated that protein functionalities (such as solubility, water absorption, foaming and emulsifying capacities) were influenced by oil extraction method, and that corn germ meals showed high capacity to stabilize oil-in-water emulsions. For walnut press-cake, a source of oil and phenolic antioxidants, the scheme focused on ultrasound assisted extraction of phenolics from the defatted cake, and the stabilizing ability of the residue particles. Extracts exhibited a high capacity of scavenging free radicals (DPPH) and walnut cake particles allowed to fabricate highly stable oil-in-water emulsions with fine droplets (1-2 µm). Ultrasound assisted extraction was also applied to recover phenolics from a third by-product that was a grape pomace. Influent parameters of extraction were statistically identified for both matrices with trends positively modeled by second-order polynomial equations., Le concept de bioraffinerie désigne le procédé de transformation de la biomasse en divers produits commercialisables et en énergie, l’accumulation d’agro-résidus étant ainsi significativement réduite. Ce travail propose un processus de bioraffinerie du germe de maïs et du tourteau de pressage de noix. Pour le germe de maïs, le procédé comporte une première étape d’extraction d’huile pour laquelle différentes méthodes ont été mises en œuvre, suivie de l’extraction des protéines et de l’évaluation du potentiel stabilisant des résidus solides (émulsions de Pickering). Il a été montré que la méthode d’extraction d’huile influençait les fonctionnalités (solubilité, capacité d’absorption d’eau, propriétés moussantes et émulsifiantes) des protéines et que les farines de germe de maïs étaient des agents stabilisants d’émulsions huile dans eau (H/E) performants. Pour le tourteau de noix, source d’huile et de composés phénoliques antioxydants, le travail s’est focalisé sur l’extraction assistée par ultrasons de composés phénoliques du tourteau deshuilé et l’évaluation des capacités émulsifiantes des résidus solides. Les extraits ont montré une forte capacité à piéger les radicaux libres et les résidus solides ont permis de fabriquer des émulsions H/E fines très stables. L’extraction assistée par ultrasons a également été appliquée à l’extraction des composés phénoliques d’un troisième co-produit, le marc de raisin. Les paramètres statistiquement influents ont été identifiés pour les deux matrices.

Radiotherapy is used for 50% of the cancer treatments. However, its implementation is limited by the tolerance of healthy tissues. New strategies combining nanomedicine and cancer radiation therapy have been proposed a decade ago to improve the performances of the treatments. Hence, a growing interest appeared for high-Z metal-based nanoparticles (NPs) as potential radio-enhancers, to amplify the effects of radiations.In the first part of my work, an efficient and unique radiolysis method was optimized to produce in one step, small, PEGOH-coated platinum NPs dispersed in a sterile solution, with 100% production rate. These NPs are good radio-enhancers, they amplify the radiation effects of γ-rays and particularly particle beams. However, further surface functionalization of these NPs coated with PEGOH is challenging. In a second step, the same radiolysis method was used to produce other platinum-based NPs coated with PEG diamine. This coating allows grafting of various molecules such as fluorescent markers, drugs or radionuclides. These particles aggregate with a shape of nanoflowers. They can be lyophilized, which ensures long and easy storage, and facile reconstitute with different biological buffers. After physico-chemical characterization, their efficiency as radio-enhancers has been evaluated in vitro. Molecular scale experiments using plasmids as molecular bioprobes showed that these NPs amplify the induction of complex biodamage. We ascribed the amplification of the damage to the activating radiation induced physico-chemical processes.Moreover, blood compatibility of NPs when administered intravenously, is also crucial for their use in nanomedicine. The interaction of NPs with proteins especially, can cause potential harmful effects. Hence, the characterization of the impact of NPs on blood proteins, is a first step in the prevention of adverse effects. The second part of my work was dedicated to the development of a new multiparametric method to characterize the structural and stability changes of human serum albumin upon interaction with nanoagents. It was found that gadolinium-based NPs (AGuIX) and platinum-based NPs do not bind to proteins. Interestingly, they stabilize the protein structure due to preferential hydration mechanism. Finally, the use of NPs as multimodal contrasts agents to probe in vivo biodistribution and pharmacokinetic, was explored in the third part of my thesis. Platinum NPs were found to be not only efficient radio-enhancers but, thanks to their high x-ray attenuation coefficient, also potential contrast agent for computed tomography (CT) imaging. More interestingly, the amine-terminated NPs developed in my work were successfully functionalized with radionuclides. This opened an opportunity to observe them by positron emission tomography (PET) imaging, The preliminary biodistribution experiments performed with CT and PET techniques showed hepatic clearance and accumulation of the NPs in the tumor after several days.In conclusion, the major outputs of my work include the optimization of a rapid and efficient method to easily and rapidly produce sterile solutions of multimodal platinum-based radio-enhancers which can be detected by CT, PET and fluorescence imaging. Moreover, it includes the development of a new way to evaluate the impact of NPs on blood proteins prior to in vivo tests. These two achievements will hopefully contribute to boost the strategy of combining nanomedicine and radiation therapies., La radiothérapie est utilisée pour 50% des traitements contre le cancer. Cependant, sa mise en œuvre est limitée par la tolérance des tissus sains. De nouvelles stratégies associant nanomédecine et radiothérapie anticancéreuse ont été proposées il y a une dizaine d'années pour améliorer les performances des traitements. Un intérêt croissant est apparu pour les nanoparticules (NP) de Z élevé faites de métal en tant que radio-amplificateurs potentiels, pour augmenter les effets des radiations,Dans la première partie de mon travail, une méthode de radiolyse efficace et unique a été optimisée pour produire en une seule étape, de petites NPs de platine PEGylées dispersées dans une solution stérile, avec un rendement de production de 100%. Ces NP amplifient les effets des rayonnements comme les rayons γ et en particulier les faisceaux de particules. Cependant, la fonctionnalisation de surface de ces NP revêtues de PEGOH est difficile. Dans une deuxième étape, la même méthode de radiolyse a été utilisée pour produire d'autres NP à base de platine enrobées de PEG diamine. Ce revêtement permet de greffer diverses molécules telles que des marqueurs fluorescents, des médicaments ou des radionucléides. Ces particules PEGylées s'agrègent pour donner une forme de nanofleur. Elles peuvent être lyophilisées, ce qui garantit un stockage long et facile. Après caractérisation physico-chimique, leur efficacité en tant que radio-amplificateur a été évaluée in vitro. Des expériences à l'échelle moléculaire utilisant des plasmides comme biosondes moléculaires ont montré que ces NP amplifient l'induction de biodommages complexes. Nous avons attribué l'amplification de ces dommages aux processus physico-chimiques.En outre, la compatibilité sanguine des NP administrés par voie intraveineuse est également cruciale pour leur utilisation en nanomédecine. L'interaction avec les protéines en particulier peut provoquer des effets nocifs potentiels. Par conséquent, la caractérisation de l'impact des NP sur les protéines sanguines est une première étape dans la prévention de la toxicité et des effets indésirables. La deuxième partie de mon travail était consacrée au développement d'une nouvelle méthode multiparamétrique pour caractériser les changements structurels et de stabilité de l'albumine sérique humaine lors de l'interaction avec des nanoagents. Il a ainsi été constaté que les NP à base de gadolinium (AGuIX®) et les NP à base de platine ne se lient pas aux protéines. Fait intéressant, ils stabilisent la structure des protéines en raison d'un mécanisme d’hydratation.Enfin, l'utilisation des NP comme agents de contrastes multimodaux pour sonder la biodistribution in vivo et la pharmacocinétique a été explorée dans la troisième partie de ma thèse. Les NP de platine se sont révélées non seulement des radio-amplificateurs efficaces mais, grâce à leur coefficient d'atténuation des rayons X élevé, également un agent de contraste potentiel pour l'imagerie par tomodensitométrie (TDM). Plus intéressant encore, les NP à terminaison amine développées dans mon travail ont été fonctionnalisées avec succès avec des radionucléides. Cela a ouvert l'opportunité de les observer par imagerie par tomographie par émission de positons (TEP). Les expériences préliminaires de biodistribution ont montré une clairance hépatique et une accumulation des NP dans la tumeur persistant après plusieurs jours.En conclusion, les principaux résultats de mon travail comprennent l'optimisation d'une méthode rapide et efficace pour produire facilement et rapidement des solutions stériles de radio-amplificateurs multimodaux à base de platine qui peuvent également être détecté par TDM, TEP et fluorescence. De plus, il comprend le développement d'une nouvelle façon d'évaluer l'impact des NP sur les protéines sanguines avant les tests in vivo. Ces deux réalisations devraient contribuer à renforcer la stratégie combinant nanomédecine et radiothérapies.

Kinetoplastids is a group of flagellated protozoans including parasites causing worldwide spread disease, threatening millions of people. Because they are eukaryotes, like their mammalian hosts, their molecular complexes of translation are highly conserved with their hosts. This conservation massively slowdown the development of new drugs targeting ribosomes which is a well-known therapeutic target. Indeed, actual drugs are often toxic and induce negative secondary effects on the host. Despite the conservation, their protein biosynthesis pathway contains specificities. Structural studies by cryo-EM of their translation complexes could lead to the development of safer antiparasitic drugs by discovering new potential therapeutic targets specific to kinetoplastids. During our projects, we discovered a novel kinetoplastid-specific ribosomal protein (KSRP). Moreover, we discovered a new helicase named DDX60-like that might play an important role during translation initiation. We also depicted the potential role of expansion segments ES6s and ES7s as a docking platform for eIF3 as well as proposing the first kinetoplastid eIF3 model from T.cruzi., Les kinétoplastides sont un groupe de protozoaires flagellés dont quelques espèces parasites exclusives causent des maladies menaçant plusieurs millions de personnes à travers le monde. Etant des espèces eucaryotes parasitant d’autres espèces eucaryotes comme les mammifères, il existe une forte conservation de leurs complexes moléculaires de la traduction. Cela freine énormément l’avancée du développement des traitements antibiotiques ciblant ces complexes car les antibiotiques vont également cibler ceux de l’hôte, entrainant des effets secondaires néfastes. Malgré cette conservation, leur mécanisme de biosynthèse des protéines comporte des spécificités uniques comparé à leurs hôtes. L’étude au niveau structurale de leurs complexes d’initiation de la traduction par cryo-microscopie électronique pourrait permettre de mettre en avant ces spécificités qui pourront être utilisées pour des études plus poussées telles que le développement d’antibiotique ciblant spécifiquement les parasites en évitant les effets secondaires néfastes des traitements actuels.

Marine biofouling represents the undesirable accumulation of biological organisms on the surfaces of structures submerged in seawater. Unfortunately, this natural phenomenon has serious economic, environmental and material consequences. Since the ban of some biocides in antifouling paints (TBT in January 2008) because of their toxicity on the nontargeted marine species and their accumulation in the marine environment, research has focused on the development of new efficient, durable and environmentally friendly antifouling coatings without releasing toxic species. Thus, the work of this thesis deal with the functionalization of glassy carbon surface by carbohydrates linked to an electrostimulable conjugated system via a triazole link in order to develop surfaces with antifouling activity. Indeed, this kind of coating was designed to intervene in the first steps of biofouling. First, the carbohydrate, which is very hydrophilic, should fight against the formation of the conditioning film by surronding itself with an aqueous barrier resistant to proteins. On the other hand, the continuous modification of charge state by applying an electric current to the electroactive conjugated system is expected to disrupt the bacterial colonization delaying the installation of marine biofilm. Our study is therefore based on the synthesis and the immobilization of electrostimulable carbohydrates on a glassy carbon surface by aromatic amine oxidation in organic and aqueous media. A microbiological test was carried out on one of the carbohydrate coatings in the presence of the TC8 bacterial strain in the wells of a microplate containing electrochemical cells connected to a potentiostat. Electrical stimulation of this coating allowed to improve its antibacterial properties, Les biosalissures marines représentent l’accumulation indésirable d’organismes biologiques sur les surfaces de structures immergées dans l’eau de mer. Malheureusement, ce phénomène naturel a de sérieuses conséquences sur les plans économiques, environnementaux et matériels. Depuis l’interdiction de certains biocides dans les peintures antisalissures (en particulier le TBT en janvier 2008) à cause de leur toxicité envers des espèces marines non-ciblées et de leur accumulation dans l’environnement marin, la recherche a mis l’accent sur le développement de nouveaux revêtements antifouling efficaces,durables et respectueux de l’environnement sans relargage d’espèces toxiques. Ainsi, les travaux de cette thèse portent sur la fonctionnalisation de carbone vitreux par des glucides reliés à des systèmes conjugués électrostimulables via un lien triazole pour développer des surfaces à activité antifouling. En effet, ce type de revêtement a été conçu pour intervenir dans les premières étapes du biofouling. Tout d’abord, le glucide, très hydrophile, devrait lutter contre la formation du film conditionnant en s’entourant d’une barrière aqueuse résistante aux protéines. D’autre part, la modification de l’état de charge de la surface en continu par application d’un courant électrique sur le système conjugué électro-actif devrait perturber la colonisation bactérienneretardant l’installation du biofilm marin. Notre étude repose donc sur la synthèse et l’immobilisation d’un ensemble de glucides électrostimulables sur une surface de carbone vitreux par oxydation de l’amine aromatique en milieux organiques et aqueux. Un test microbiologique a été réalisé sur un des revêtements glucidiques en présence de la souche bactérienne TC8 dans les puits d’une microplaque contenant des cellules électrochimiques reliées à un potentiostat. La stimulation électrique de ce revêtement a permis d’améliorer ses propriétés antibactériennes.

The common hamster (Cricetus cricetus), a rodent species living in farmlands in Eurasia, is critically endangered. In this thesis, I studied its diet, conservation measures and agricultural practices to develop to improve its population levels. I have shown that the hamster can select its food according to its dietary needs, which are diverse. It needs a variety of foods to supply deficiencies in notably corn and wheat monocultures. The combination of several crops such as wheat with soybean restore a proper reproductive success in that species, soybean compensating for protein deficiency in wheat. Favouring a diversity of plants and insects in its environment is a way to provide sufficient protein intake during reproduction. This can be achieved by implementing sustainable agricultural practices based on agroecology, such as conservation agriculture, which benefits more widely to biodiversity, farmers, and society. The protection of the common hamster can be a driving force for this agricultural transition., Le Grand hamster (Cricetus cricetus), une espèce de rongeur inféodée au milieu agricole en Eurasie, est en danger critique d’extinction. Dans cette thèse, j’étudie son alimentation, les mesures de conservation et les pratiques agricoles à développer, afin d’améliorer l’état de ses populations. J’ai montré que le hamster peut sélectionner sa nourriture en fonction de ses besoins alimentaires, qui sont variés. Cette diversité d’aliments doit lui permettre de pallier les carences des monocultures de blé et maïs notamment. L’association de plusieurs cultures telles que blé et soja permet ainsi d’assurer un succès reproducteur chez cette espèce, le soja apportant les protéines manquantes dans le blé. Favoriser une diversité de plantes et d’insectes dans son environnement permet autant d’apports protéiques pendant la reproduction. Cela est possible en mettant en place des pratiques agricoles durables se basant sur l’agroécologie, telles que l’agriculture de conservation. Ces pratiques bénéficient à la biodiversité dans sa globalité, aux agriculteurs et à la société. La protection du Grand hamster peut être un moteur de cette transition agricole.

The goal of this work is to improve the understanding of non-covalent interactions, from the study of electron density, notably applied to protein-ligand complexes. The electron density is a relatively conserved property of atoms in similar molecular environments. This preliminary observation establishes the transferability principle. This approximation is at the root of database-based approaches, such as the ELMAM2 atom type library. This database makes it possible to reconstruct the electron density of biological molecules from fragments observed during high-resolution crystallographic experiments (and expressed in the Hansen and Coppens multipolar model). Determination of a specific type of electrostatic interaction, the interaction between induced dipole moments, profits of an innovative approach. Transferable experimental electronic densities are complemented by theoretical polarizabilities. Polarizabilities describe the response of the electron density to the application of an electric field, in order to model the classical interaction between induced dipoles. The development of new software tools, integrated into the MoProSuite software, allows several focal area presented in this manuscript. The transferability of atomic polarizabilities is discussed to evaluate their conservation between different molecular environments. Short-range interactions between molecules involve very strong electric fields. Their effect is taken into account by modelling the polarization phenomenon. The adjunction of polarization to the transferred electron density is evaluated on biological systems and small organic molecules. These transferred, then polarized, densities make it possible to calculate accurate electrostatic interaction energies, which are compared to a theoretical benchmark and an experimental case study. The study of scalar field topology, in the case of the electrostatic potential within protein-ligand complexes, is at an early stage of development. The model and the new tools developed in this thesis are steps toward the application of this approach, which describes the shape of the fields of density and electrostatic potential, to biological systems.; L’objectif de ce travail est d’améliorer la compréhension des interactions non-covalentes, à partir de l’étude de la densité électronique, notamment appliquée aux complexes protéines-ligands. La densité électronique est relativement conservée pour des atomes dans des contextes moléculaires similaires. Cette observation préalable fonde le principe de transférabilité. Cette approximation est à la racine des approches basées sur les bases de données, telles que la librairie de types atomiques ELMAM2, d’origine expérimentale. La base de données permet de reconstruire la densité électronique de molécules biologiques à partir de fragments observés lors d’expériences de cristallographie à haute résolution (exprimés dans le modèle multipolaire de Hansen et Coppens). Une approche novatrice est appliquée ici pour déterminer un type spécifique d’interaction électrostatique : l’interaction entre moments dipolaires induits. Cette interaction classique est représentée à l’aide d’un modèle de densité électronique transféré auquel est adjoint un ensemble de polarisabilités atomiques théoriques. Cette propriété décrit la réponse de la densité à l’application d’un champ électrique. Le développement de nouveaux outils informatiques, intégrés au logiciel MoProSuite, permet plusieurs axes d’étude présentés dans ce manuscrit. La transférabilité des polarisabilités atomiques est discutée pour évaluer leur conservation entre différents contextes moléculaires. Les interactions à courte portée entre molécules impliquent de très forts champs électriques. Leurs effets sont pris en compte en modélisant le phénomène de polarisation. L’adjonction de la polarisation à la densité électronique transférée est évaluée pour des systèmes biologiques et des petites molécules organiques. Ces densités transférées puis polarisées permettent de calculer des énergies d’interactions électrostatiques précises qui sont comparées à un banc de test théorique et appliquées à une étude de cas expérimental. L’étude de la topologie des champs scalaires, dans le cas du potentiel électrostatique au sein des complexes protéine-ligand, est encore à un stade de développement précoce. Le modèle et les nouveaux outils développés dans cette thèse permettent d’envisager l’application de cette approche, qui décrit la forme des champs de densité et de potentiel électrostatique, à des systèmes biologiques.

Tunneling nanotubes (TNTs) are F-actin rich structures that connect distant cells, allowing the transport of many cellular components, including vesicles, organelles and different kind of molecules. TNTs are implicated in key cellular processes, such as development, immunity and tissue regeneration, but also in the transmission of various pathogens. Several molecular factors have been identified to participate in the regulation of TNT formation. One of the early molecular factors that is implicated in TNT formation is the exocyst complex. This complex is also involved in the tethering of secretory vesicles during secretion, which suggest that proteins that regulate vesicle trafficking could have a role in TNT formation. We have hypothesized that the formation of TNTs is modulated by proteins that participate in both, the regulation of vesicle trafficking and the remodelling of the actin cytoskeleton, and that these two processes are key for the formation of these structures. Since Rab GTPases are the major regulators of vesicle trafficking and also participate in actin cytoskeleton regulation, we examined the role of this protein family in TNT formation. First, we performed a screening of several different Rab proteins for its effect on TNT-dependent vesicle transfer. We found that Rab8a, Rab11a and Rab35 have a positive effect on vesicle transfer. Additional studies demonstrated that Rab8a and Rab11a overexpression also increase the number of TNT connected cells. Upon overexpression of VAMP3 (another protein involved in vesicle trafficking), we also observed an increase in the number of TNT connected cells. Further analysis showed that all three proteins, i.e. Rab11a, Rab8a and VAMP3, show an effect on TNT formation in a cascade dependent manner. To establish a relationship between Rab11a and Rab8a, we checked the role of Rabin8 (a protein that interacts with Rab11 and activates Rab8), on TNT formation and we found that it has no role in TNT formation. Additionally, we checked another protein whose function is similar to Rabin8, i.e. GRAB (guanine nucleotide exchange factor for Rab3A) and its role in TNT formation. The results show that GRAB overexpression increases TNT formation, but it acts in a pathway independent of Rab11 and Rab8a to regulate TNT formation. The analysis of Rab35, a protein involved in endocytic recycling, cytokinesis and neurite outgrowth, showed that the GTP-Rab35 bound form also increases TNT formation. Neurite outgrowth is an essential process in order to establish neural connectivity and vesicle recycling plays a crucial role in this process. Rab35 interacts with several proteins, that are involved in vesicle trafficking such as such as ACAP2 (acts as GAP of ARF6), MICAL-L1 (molecule interacting with CasL-like 1, which plays a role in vesicle recycling) EHD1 (a molecular scissor that has a role in vesicle scission). At the ARF6 positive endosomes, Rab35 recruits ACAP2 and MICAL-L1, and forms a complex that binds to EHD1 to regulate neurite outgrowth.Our data strongly suggest that these effectors may also be involved in the formation of TNTs. Individually, ACAP2, EHD1 and ARF6-GDP regulate TNT formation in a positive manner. But MICAL-L1 overexpression in cells shows no effect on TNTs. Also, preliminary data, indicates that Rab35 and EHD1 acts in a cascade mechanism to regulate TNT formation. This indicates that TNT formation and neurite outgrowth may act in a similar, but not exact pathway. The molecules identified here that have a role in TNT formation, constitute potential molecular targets for therapies aiming to block the spreading of pathogens that transfer through TNTs.This study proves that proteins that have a role in vesicle trafficking and neurite outgrowth, such as Rab proteins, are also involved in TNT formation.; Les nanotubes de tunnellisation (TNT) sont des structures riches en F-actine qui relient des cellules distantes, permettant le transport de nombreux composants cellulaires (des vésicules, des organites etc.). Les TNT sont impliqués dans des processus cellulaires clés, tels que le développement, l'immunité et la régénération des tissus, mais également dans la transmission de divers agents pathogènes. Plusieurs facteurs moléculaires ont été identifiés pour participer à la formation de la formation de TNT. Le complexe de l'exocyste est l'un des premiers facteurs moléculaires impliqués dans cette formation. Il est impliqué dans l’attachement des vésicules sécrétoires, suggère que les protéines qui régulent le trafic vésiculaire pourraient jouer un rôle dans la formation de TNT. Nous avons émis l'hypothèse que la formation de TNT est modulée par des protéines qui participent à la fois à la régulation du trafic vésiculaire et au remodelage du cytosquelette d'actine, deux processus qui sont essentiels pour la formation de ces structures. Comme les Rab-GTPase sont les principaux régulateurs du trafic vésiculaire et participent à la régulation du cytosquelette d'actine, nous avons examiné le rôle de cette famille de protéines dans la formation de TNT. Tout d'abord, nous avons effectué un criblage de plusieurs protéines de Rab pour son effet sur le transfert de vésicule dépendant de TNT. Nous avons constaté que Rab8a, Rab11a et Rab35 ont un effet positif sur le transfert de vésicule. Surexpression de Rab8a et Rab11a augmentait également le nombre de cellules connectées au TNT. Lors de la surexpression de VAMP3 (une autre protéine impliquée dans le trafic vésiculaire), augmentait du nombre de cellules connectées au TNT. Une analyse plus poussée a montré que les trois protéines (Rab11a, Rab8a et VAMP3), ont un effet sur la formation de TNT de manière cascade. Pour établir une relation entre Rab11a et Rab8a, nous avons vérifié le rôle de Rabin8 sur la formation de TNT (une protéine qui interagit avec Rab11 et qui active Rab8) et nous n’avons observé aucun effet dans la formation de TNT. De plus, nous avons vérifié une autre protéine dont la fonction est similaire à Rabin8, à savoir GRAB (facteur d’échange de nucléotide de guanine-GAP- pour Rab3A) et son rôle dans la formation de TNT. Surexpression de GRAB augmente la formation de TNT, mais qu’elle agit de manière indépendante de Rab11 et Rab8a pour réguler la formation de TNT. L'analyse de Rab35-GTP, impliquée dans le recyclage des endocytes, la cytokinèse et la croissance des neurites, augmente la formation de TNT. La croissance des neurites est nécessaire pour la connectivité neuronale et le recyclage des vésicules joue un rôle crucial dans ce processus. Rab35 interagit avec plusieurs protéines impliquées dans le trafic vésiculaire, telles que ACAP2 (GAP de ARF6), MICAL-L1 (molécule interagissant avec CasL-like1 et participe dans le recyclage des vésicules) EHD1 (un ciseau moléculaire) qui participe dans la scission de la vésicule). Sur les endosomes positifs pour ARF6, Rab35 recrute ACAP2 et MICAL-L1 et forme un complexe qui se lie à EHD1 pour réguler la croissance des neurites. Nos données suggèrent fortement que ces effecteurs pourraient également être impliqués dans la formation de TNT. Individuellement, ACAP2, EHD1 et ARF6-GDP régulent la formation de TNT de manière positive et MICAL-L1 ne montre aucun effet sur les TNT. En outre, des données préliminaires indiquent que Rab35 et EHD1 agissent dans un mécanisme en cascade pour réguler la formation de TNT, suggérant que la formation de TNT et la croissance des neurites peuvent agir de manière similaire. Les molécules identifiées constituent des cibles moléculaires potentielles pour les thérapies visant à bloquer la propagation d'agents pathogènes transférés à travers les TNT. Cette étude prouve que les protéines jouant un rôle dans le trafic vésiculaire et la croissance des neurites participent également à la formation de TNT.

Plant proteins are a coherent option to feed the planet while limiting global warming. Common proteins (wheat, soya and maize) will soon no longer be sufficient to meet the increased demand for proteins. This thesis focuses on the development of a new source of plant protein for human consumption, based on a co-product of the oil mill: hemp proteins from press-cake. To meet this objective, the three main lines of action are: the definition of extraction conditions, the study of the physico-chemical properties of the isolates extracted under the defined conditions and the study of their emulsifying properties. The data in the literature on the extraction of hemp proteins are limited and not very detailed. Proteins are generally extracted from solvent-delipidated press-cake by alkaline solubilization (pH 10), isoelectric precipitation (pH 5), neutralization (pH 7) and freeze-drying. These protein isolates appear to have low solubilities over a wide pH range, probably due to strong interactions between proteins at the isoelectric point that insolubilize some of them. The extraction desired in our study is an extraction from raw press-cake (without solvent), without isoelectric precipitation and allowing globulins and albumins to be extracted simultaneously. The impact of extraction conditions on the quality and quantity of extracted proteins is determined. The hydration conditions studied are different pH (2 to 12), ionic strengths (0 to 500 mM NaCl) and weight ratios of press-cake/water (2 to 22%). The effects of an ultrafiltration purification step and the drying method (spray or freeze-drying) are also studied. Only alkaline pH ≥10 allows the simultaneous extraction of globulins and albumins with yields ≥40%. On the other hand, such pH values also solubilize phenolic compounds that can form complexes with proteins. A diafiltration step by ultrafiltration is necessary to increase protein purity to more than 80% and spray-drying does not seem to be denaturing. Extraction at pH 10 produces native proteins. In their raw state, they show good emulsifying properties. Thermal denaturation greatly reduces their emulsifying properties. Extraction at pH 12 denatures proteins, certainly due to a high surface charge that induces their unfolding. Aggregates probably involving phenols via covalent bonds are formed. However, the solubility of these proteins as well as their emulsifying properties are better than those of proteins extracted at pH 10. Through this manuscript we discussed and tried to understand the differences observed between the proteins extracted at pH 10 and pH 12., Les protéines végétales sont une option cohérente pour nourrir la planète tout en limitant le réchauffement climatique. Les protéines courantes (blé, soja et maïs) ne seront bientôt plus suffisantes pour répondre à l’augmentation de la demande en protéines. Cette thèse porte sur la valorisation d’une nouvelle source de protéine végétale pour l’alimentation humaine, à partir d’un coproduit de l’huilerie : les protéines de chanvre issues de tourteau de presse. Pour répondre à cet objectif les trois axes suivis sont : la définition des conditions d’extraction, l’étude des propriétés physicochimiques des isolats extraits selon les conditions définies et l’étude de leurs propriétés émulsifiantes. Les données de la littérature relatives à l’extraction des protéines de chanvre sont peu nombreuses et peu détaillées. Les protéines y sont généralement extraites à partir de tourteau délipidé au solvant, par solubilisation alcaline (pH 10), précipitation isoélectrique (pH 5), neutralisation (pH 7) et lyophilisation. Ces isolats protéiques semblent posséder de faibles solubilités sur une large gamme de pH, probablement à cause de fortes interactions entre les protéines au point isoélectrique qui en insolubilise une partie. L’extraction souhaitée dans notre étude est une extraction à partir de tourteau brut (sans solvant), sans précipitation isoélectrique et permettant d’extraire simultanément les globulines et les albumines. L’impact de conditions d’extraction sur la qualité et la quantité de protéines extraites est déterminé. Les conditions d’hydratation étudiées sont différents pH (2 à 12), forces ioniques (0 à 500 mM de NaCl) et ratios massiques tourteau/eau (2 à 22%). Les impacts d’une étape de purification par ultrafiltration et du mode de séchage (atomisation ou lyophilisation) sont également étudiés. Seuls des pH alcalins ≥10 permettent l’extraction simultanée des globulines et des albumines avec des rendements ≥40%. En revanche de tels pH solubilisent également des composés phénoliques qui peuvent se complexer aux protéines. Une étape de diafiltration par ultrafiltration est nécessaire pour augmenter la pureté protéique à plus de 80% et l’atomisation ne semble pas dénaturante. L’extraction à pH 10 permet d’obtenir des protéines natives. A l’état brut elles montrent de bonnes aptitudes émulsifiantes. Une dénaturation thermique réduit fortement leurs propriétés émulsifiantes. L’extraction à pH 12 dénature les protéines certainement suite à une charge de surface élevée qui induit leur dépliement. Des agrégats impliquant probablement des phénols via des liaisons covalentes sont formés. Cependant la solubilité de ces protéines de même que leurs propriétés émulsifiantes sont meilleures que celles des protéines extraites à pH 10. A travers ce manuscrit nous discutions et tentons de comprendre les différences observées entre les protéines extraites à pH 10 et à pH 12.

Importation of soybean meal from America, which are most often GMO and cause of significant deforestation, is nowadays increasingly questioned in animal feeding. For dairy cows, alternatives such as French produced proteaginous seeds (faba bean, lupin, pea) are investigated, because of their interesting protein content. However, when distributed raw to animals, their proteins are very degradable in the rumen, which penalizes their nitrogen value for ruminants. One possibility is to apply heat treatments to these seeds to protect their proteins from too high degradability in the rumen.The objective of this thesis, conducted as part of the PROLEVAL project, was to test combinations of "raw material × technological treatment" to optimize the degradation of proteaginous seeds’ proteins in the rumen, without altering their digestibility in the intestine. Following in vitro and in situ experiments, diets containing faba bean and lupin distributed raw or extruded under different conditions were tested in two in vivo experiments on dairy cows. Diets were iso-crude protein and non-limiting methionine. The first experiment compared soybean meal with faba bean or lupin, distributed raw, extruded at 140°C and extruded at 160°C. The different results showed that soybean meal could be replaced by faba bean or lupin without significantly altering the dairy performance of cows. On one hand, at 140°C, Maillard reactions led to protection of proteins from ruminal degradability compared with raw seeds, without altering the absorption of amino acids in the small intestine, leading to better milk production with faba bean. On the other hand, at 160°C, these reactions seemed to overprotect the proteins, which were less absorbed in the intestine. In the 2nd experiment, faba bean was distributed raw, extruded at 140°C in the same way as in the 1st experiment, and extruded at 140°C after a specific maturation, which aimed at improving the complexation of proteins with exogenous sugars (maturation with reducing sugars) or endogenous (released during maturation with an enzymatic cocktail). The different results confirmed that extrusion at 140°C of faba bean protects proteins from ruminal degradation. On one hand, addition of reducing sugars led to overprotection of the proteins, whose amino acids were less absorbed in the small intestine. On the other hand, addition of the enzymatic cocktail led to a level of absorption of amino acids in the small intestine similar to the one obtained with faba bean extruded at 140°C without specific maturation conditions.In addition to these experiments, a quantitative bibliographic synthesis was carried out on the use of proteaginous seeds, raw and heat-treated, in dairy cows diets. The results confirm those obtained in situ and in vivo in the context of this thesis: heat treatments protect proteins from degradation in the rumen, but the benefits of this protection on the zootechnical performance of animals require good control of the applied treatment.In conclusion, proteaginous seeds can replace soybean meal in dairy cows diets, when subjected to the appropriate heat treatment.; Dans un contexte où le tourteau de soja importé d’Amérique (le plus souvent OGM et cause d’une importante déforestation) pour l’alimentation des animaux d’élevage est pointé du doigt, des alternatives à son utilisation dans l’alimentation des vaches laitières sont étudiées. Par exemple, l’utilisation des graines protéagineuses (féverole, lupin, pois) produites en France, du fait de leur teneur en protéines intéressante, pourrait être un moyen. Mais, distribuées crues aux animaux, leurs protéines sont très dégradables dans le rumen, ce qui pénalise leur valeur azotée pour le ruminant. Une possibilité est d’appliquer à ces graines des traitements thermiques pour protéger leurs protéines d’une trop forte dégradabilité dans le rumen. L’objectif de cette thèse, conduite dans le cadre du projet PROLEVAL, était de tester des combinaisons « matière première × traitement technologique » pour optimiser la dégradation des protéines de graines protéagineuses dans le rumen, sans altérer leur digestibilité dans l’intestin. Suite à des essais préalables in vitro et in situ, des régimes à base de féverole et de lupin, distribués crus ou extrudés selon différentes conditions, ont été testés lors de deux essais in vivo sur vaches laitières, dans lesquels les rations étaient iso-protéiques et la méthionine non limitante. Le 1er essai comparait l’utilisation du tourteau de soja à la féverole ou au lupin, distribués crus, extrudés à 140°C et extrudés à 160°C. Les différents résultats ont montré que le tourteau de soja peut être remplacé par de la féverole ou du lupin sans altérer significativement les performances laitières des vaches. À 140°C, des réactions de Maillard ont permis la protection des protéines d’une trop grande dégradabilité ruminale par rapport aux graines crues, sans altérer l’absorption des acides aminés dans l’intestin grêle, entrainant une meilleure production laitière avec la féverole. En revanche, à 160°C, ces réactions ont semblé trop protéger les protéines, qui ont été moins bien absorbées dans l’intestin. Dans le 2ème essai, de la féverole a été distribuée crue, extrudée à 140°C comme dans le 1er essai, et extrudée à 140°C après une maturation spécifique visant à améliorer la complexation des protéines avec des sucres exogènes (maturation avec des sucres réducteurs) ou endogènes (libérés par maturation avec un cocktail enzymatique). Les différents résultats ont confirmé que l’extrusion à 140°C de la féverole protège les protéines de la dégradation ruminale. L’ajout de sucres réducteurs a conduit à une surprotection des protéines, dont les acides aminés ont été moins bien absorbés dans l’intestin grêle. L’addition du cocktail enzymatique a en revanche conduit à un niveau d’absorption des acides aminés dans l’intestin grêle similaire à celui obtenu avec la féverole extrudée à 140°C sans condition de maturation spécifique.En parallèle de ces essais, une synthèse bibliographique quantitative a été réalisée sur l’utilisation des graines protéagineuses, crues et traitées thermiquement, dans l’alimentation des vaches laitières. Les résultats confirment ceux obtenus in situ et in vivo dans le cadre de cette thèse : les traitements thermiques protègent les protéines de la dégradation dans le rumen mais les bénéfices de cette protection sur les performances zootechniques des animaux nécessitent une bonne maîtrise du traitement appliqué.En conclusion, les graines protéagineuses peuvent remplacer le tourteau de soja dans l’alimentation des vaches laitières, sous réserve d’un traitement thermique adapté.

Orthohantaviruses are globally widespread emerging viruses hosted by small mammals. In these natural reservoirs, orthohantavirus establish asymptomatic chronic infection. Nevertheless, orthohantavirus can be occasionally transmitted to humans and may cause hemorrhagic fevers with renal syndrome in Eurasia.we carried out a comparative study of Puumala orthohantavirus, responsible for an attenuated form of HFRS, with non-pathogenic orthohantavirus Tula and Prospect Hill. We first identified suitable cellular models for our studies and we described differences in the production of viral particles depending on the host from which cells were obtained. Secondly, we shed light on the interactions of viral proteins with cellular compartments and factors during the viral cycle by 1) analyzing the regulation of protein expression, especially implicated in the immune reponse, in infected human cell line, 2) detecting the localization and interaction of viral proteins with cellular compartments in the infection, 3) defining how viral proteins antagonize the interferon signaling pathways and 4) discovering by mass spectrometry the cellular factors interacting with the nucleocapsid of our three orthohantaviruses. We showed that these viruses share common characteristics in the interaction with the cell during the viral cycle. However, we also revealed differences of regulation of cellular pathways, depending on the virus and on the viral proteins.These studies allowed to identify adapted cellular models for further studies on these viruses, as well as cellular factors that are currently been investigated for their role in the viral proteins.; Les orthohantavirus sont des virus émergents, présents dans le monde entier, ayant pour réservoirs des petits mammifères avec lesquels ils établissent des infections chroniques asymptomatiques. La transmission occasionnelle à l’homme peut être à l’origine de fièvres hémorragiques. Nous menons une étude comparative entre l’orthohantavirus pathogène Puumala et les orthohantavirus non pathogènes Tula et Prospect Hill. Des modèles cellulaires adaptés à nos études ont été d’abord definis et nous avons observé des différences de production de particules virales en fonction de l’origine de lignées cellulaires. Nous avons décrit les interactions des protéines virales avec les les facteurs et les compartiments cellulaires pendant le cycle viral par 1) analyse de la régulation de l’expression de protéines par cellules humaines infectées, 2) détection de la localisation et l’interaction de protéines virales avec les compartiments cellulaires au cours de l’infection, 3) étude de l’activité inhibitrice des protéines virales sur les voies impliquées dans la réponse interféron et 4) identification par spectrométrie de masse de facteurs cellulaires interagissant avec la nucléocapside de nos trois virus. Nous avons démontré que ces virus possèdent des caractéristiques communes en termes d’interaction avec la cellule au cours de l’infection. Cependant, nous avons aussi mis en évidence des différences de régulation de voies de signalisation cellulaires, en fonction du virus et des protéines virales. Ces études ont permis d’identifier des modèles cellulaires utiles pour approfondir les relations hôte-virus et de mettre en évidence l'impact de facteurs cellulaires pendant l'infection.

National audience

A dark trace on a ceramic, an imprint of feathers or fur near a sword, a differently coloured sediment near a remnant of an amphora, an amorphous black residue in which a flint is stuck… So many clues to the presence of organic material, sometimes tenuous, but so rich in information about past societies, their daily life, their culture, their organisation, their management of the environment., Une trace foncée sur une céramique, une empreinte de plumes ou de fourrure à proximité d’une épée, un sédiment coloré différemment près d’un reste d’amphore, un résidu noir amorphe dans lequel est fiché un silex… Autant d’indices de la présence de matériel organique, certes parfois ténus, mais ô combien riches d’information concernant les sociétés passées, leur quotidien, leur culture, leur organisation, leur gestion de l’environnement.

Advances in sequencing technologies have revolutionized the life sciences. The explosion of genomic sequence data has prompted the development of a wide variety of methods, at the interface between bioinformatics, machine learning, and physics, which aim at gaining a deeper understanding of biological systems from such data.Pairwise coevolutionary methods, in particular Direct Coupling Analysis (DCA), can extract a multitude of informationfrom sequence data alone, such as structural contacts or phenotypic effects of amino-acid substitutions in proteins. While they have been mainly applied to a number of single exemplary proteins, it is now time for a broader application at the level of the whole genome. In this thesis, we build upon and extend these models to address biological questions at the genome scale. In a first project, we investigate the protein-protein interaction network by combining coevolutionary signals at multiple but interconnected scales. In a subsequent project, we discuss the possibility of including complementary information to sequences, such as typical patterns of contacts, to improve the inter-protein contact prediction. Finally, through an extensive genome-wide study of E. coli strains, we show how the machinery of DCA can be used to investigate the fitness landscape properties at the local and global scales., Les progrès des technologies de séquençage ont révolutionné les sciences de la vie. L’explosion de données de séquences génomiques a conduit au développement d’une grande variété de méthodes, à l’interface entre la bioinformatique, l’apprentissage automatique et la physique, qui visent à approfondir la compréhension des systèmes biologiques à partir de telles données. Les méthodes co-évolutives par paires, telles que l’analyse par couplage direct (DCA), peuvent extraire une multitude d’informations à partir de données de séquence uniquement, telles que des contacts structurels ou des effets phénotypiques de substitutions d’acides aminés dans des protéines. Bien qu’elles aient été principalement appliquées à un certain nombre de protéines exemplaires, il est maintenant temps de les appliquer au niveau du génome entier.Dans cette thèse, nous nous appuions sur ces modèles et les développons pour traiter des questions biologiques à l’échelle du génome. Dans un premier projet, nous avons étudié le réseau d’interactions protéine-protéine en combinant des signaux co-évolutifs à des échelles multiples mais interconnectées. Dans un projet ultérieur, nous discutons de la possibilité d’inclure des informations complémentaires aux séquences, telles que des schémas de contacts typiques, afin d’améliorer la prédiction de contacts entre protéines. Enfin, à travers une vaste étude portant sur l’ensemble du génome des souches d’E. Coli, nous montrons comment les mécanismes de la DCA peuvent être utilisés pour étudier les propriétés du paysage de la fitness à l’échelle locale et globale.

Advances in sequencing technologies have revolutionized the life sciences. The explosion of genomic sequence data has prompted the development of a wide variety of methods, at the interface between bioinformatics, machine learning, and physics, which aim at gaining a deeper understanding of biological systems from such data.Pairwise coevolutionary methods, in particular Direct Coupling Analysis (DCA), can extract a multitude of informationfrom sequence data alone, such as structural contacts or phenotypic effects of amino-acid substitutions in proteins. While they have been mainly applied to a number of single exemplary proteins, it is now time for a broader application at the level of the whole genome. In this thesis, we build upon and extend these models to address biological questions at the genome scale. In a first project, we investigate the protein-protein interaction network by combining coevolutionary signals at multiple but interconnected scales. In a subsequent project, we discuss the possibility of including complementary information to sequences, such as typical patterns of contacts, to improve the inter-protein contact prediction. Finally, through an extensive genome-wide study of E. coli strains, we show how the machinery of DCA can be used to investigate the fitness landscape properties at the local and global scales.; Les progrès des technologies de séquençage ont révolutionné les sciences de la vie. L’explosion de données de séquences génomiques a conduit au développement d’une grande variété de méthodes, à l’interface entre la bioinformatique, l’apprentissage automatique et la physique, qui visent à approfondir la compréhension des systèmes biologiques à partir de telles données. Les méthodes co-évolutives par paires, telles que l’analyse par couplage direct (DCA), peuvent extraire une multitude d’informations à partir de données de séquence uniquement, telles que des contacts structurels ou des effets phénotypiques de substitutions d’acides aminés dans des protéines. Bien qu’elles aient été principalement appliquées à un certain nombre de protéines exemplaires, il est maintenant temps de les appliquer au niveau du génome entier.Dans cette thèse, nous nous appuions sur ces modèles et les développons pour traiter des questions biologiques à l’échelle du génome. Dans un premier projet, nous avons étudié le réseau d’interactions protéine-protéine en combinant des signaux co-évolutifs à des échelles multiples mais interconnectées. Dans un projet ultérieur, nous discutons de la possibilité d’inclure des informations complémentaires aux séquences, telles que des schémas de contacts typiques, afin d’améliorer la prédiction de contacts entre protéines. Enfin, à travers une vaste étude portant sur l’ensemble du génome des souches d’E. Coli, nous montrons comment les mécanismes de la DCA peuvent être utilisés pour étudier les propriétés du paysage de la fitness à l’échelle locale et globale.

National audience

Oxydation (des lipides ?) dans les matières grasses et les aliments : mécanismes et évaluation. Webminaire SFEL

The cell is a complex chemical system that has benefited from billions of years of evolution to perfect itself, and represents a very well organized machinery leaving nothing to chance. To ensure its role, it controls a set of self-assembly processes where isolated components interact spontaneously with each other to lead to the formation of organized and functional structures such as microtubules, collagen or actin fibers. Inspired by cellular organization, my doctoral project involves the design of artificial chemical systems based on the self-assembly of original peptides. These buildings give rise to supramolecular hydrogels of interest in the field of biomaterials. I am interested at the same time in fundamental aspects concerning the comprehension of the initiation of the processes of self-assembly in the presence of biomacromolecules, but also with more applied problems of elaborating strategies to control the place but also the moment where these self-assembled molecular structures originate. Finally, I am interested in the emergence of the different properties appearing during the formation of certain self-assemblies such as catalysis and auto-catalysis., La cellule est un système chimique complexe qui a bénéficié de milliards d’années d’évolution pour se perfectionner, et représente une machinerie très bien organisée ne laissant rien au hasard. Pour assurer son rôle, elle contrôle un ensemble de processus d’auto-assemblage où des composants isolés interagissent spontanément entre eux pour conduire à la formation de structures organisées et fonctionnelles telles que les microtubules, le collagène ou les fibres d’actine. En m’inspirant de l’organisation cellulaire, mon projet doctoral consiste en la conception de systèmes chimiques artificiels basés sur l’auto-assemblage de peptides originaux. Ces édifices donnent naissance à des hydrogels supramoléculaires d’intérêts dans le domaine des biomatériaux. Je m’intéresse à la fois à des aspect fondamentaux concernant la compréhension de l’initiation des processus d’auto-assemblage en présence de biomacromolécules, mais aussi à des problématiques plus appliquées consistant à élaborer des stratégies pour contrôler le lieu mais aussi le moment où ces édifices moléculaires auto-assemblés prennent naissance. Enfin, je m’intéresse à l’émergence des différentes propriétés apparaissant lors de la formation de certains auto-assemblages comme la catalyse ou l’auto-catalyse.

International audience