Ce travail porte sur l'étude du polyglyoxylate d'ethyle (PGEt) : sa synthèse, sa caractérisation et sa dégradation. Le PGEt a été obtenu par polymérisation anionique. Les conditions optimales font intervenir un amorçage par NE3 dans le CH2Cl2 à une température inférieure à -20°C. L'existence d'une température plafond (Tp = 310K pour [M]0 = 1M) nécessite l'utilisation d'agents de terminaison (phényl isocyanate ou bromure de 2-bromo-2-méthyl propionyle) afin d'obtenir des PGEt stables. La dégradation par hydrolyse in vitro du PGEt a été étudiée par RMN 1H, CES... Le mécanisme fait intervenir des coupures de chaines et des hydrolyses des esters. Les produits ultimes de dégradation identifiés sont l'éthanol et l'hydrate d'acide glyoxylique. Le caractère biodégradable du PGEt a été confirmé par respirométrie. Des études préliminaires de toxicité (sur des hématies, le nématode C. Elegans, et la croissance des plantes) n'ont pas révélé d'effet nocif du PGEt et de ses produits de dégradation.

Je présente dans ce mémoire de HDR le travail pionnier de la bio-informatique pour les peptides non-ribosomiques (PNR). Ces recherches ont été initiées sur Lille en 2006 et ont abouti à l'unique plate-forme d'analyse bio-informatique des PNR appelée Norine, dont je suis un des membres fondateurs. Les peptides non-ribosomiques font partie des petites molécules produites par les micro-organismes, bactéries et fungi, pour coloniser leur milieu. Ces peptides particuliers ont l'avantage d'avoir une grande variété de structures. En effet, ils peuvent être linéaires, mais aussi contenir des cycles et/ou des branchements et sont composés de plus de 500 briques de base différentes. Cette variété provient de leur synthèse réalisée par de gros complexes enzymatiques, les synthétases peptidiques non-ribosomiques (PNRS). Ceux-ci sélectionnent les acides aminés et d'autres composés, appelés monomères, puis les assemblent en formant des liaisons peptidiques et d'autres liaisons. Ainsi, les peptides non-ribosomiques présentent une grande diversité d'activités telles que antibiotique, anti-cancéreux ou immuno-suppresseur. Certains, comme la pénicilline, sont des médicaments employés fréquemment. Dans une première partie, je propose un regard différent sur les synthétases en associant les particularités des peptides aux fonctions enzymatiques nécessaires à les réaliser. Puis, je décris les principales étapes nécessaires à la conception d'un outil d'analyse des séquences protéiques de PNRS en précisant les particularités des outils existants. Ensuite, je présente ma contribution à l'exploration du potentiel de synthèse de PNR à partir de séquences génomiques ou protéiques à travers ma participation à la mise au point d'un protocole d'analyses bio-informatiques et à l'annotation de plusieurs génomes. Dans une seconde partie, je commence par préciser les apports de la plate-forme Norine sur la compréhension de la diversité des peptides non-ribosomiques, complétés par une étude de la chimie de ces molécules. Ensuite, je présente les quelques bases de données et outils en relation avec ces peptides, qui sont développés par ailleurs. Puis, je présente la plate-forme Norine en exposant mes contributions et en proposant la modernisation du processus de collecte des données et l'évolution des fonctionnalités d'interrogation via les structures peptidiques. Je termine par la présentation d'une nouvelle perspective : la chémo-informatique dédiée aux peptides non-ribosomiques avec pour objectif la prédiction d'une ou plusieurs synthétases capables de produire un peptide ayant une activité cible.

Cette thèse porte sur des classes d'objets combinatoires, qui modélisent des données en bio-informatique. Nous étudions notamment deux méthodes de mutation des gènes à l'intérieur du génome : la duplication et l'inversion. Nous étudions d'une part le problème de la duplication-miroir complète avec perte aléatoire en termes de permutations à motifs exclus. Nous démontrons que la classe de permutations obtenue avec cette méthode après p duplications à partir de l'identité est la classe de permutations qui évite les permutations alternées de longueur 2p + 1. Nous énumérons également le nombre de duplications nécessaires et suffisantes pour obtenir une permutation quelconque de longueur n à partir de l'identité. Nous proposons également deux algorithmes efficaces permettant de reconstituer deux chemins différents entre l'identité et une permutation déterminée. Nous donnons enfin des résultats connexes sur d'autres classes proches. La restriction de la relation d'ordre < induite par le code de Gray réfléchi à l'ensemble des compositions et des compositions bornées induit de nouveaux codes de Gray pour ces ensembles. La relation d'ordre < restreinte à l'ensemble des compositions bornées d'un intervalle fournit encore un code de Gray. L'ensemble des ncompositions bornées d'un intervalle généralise simultanément l'ensemble produit et l'ensemble des compositions d'un entier et donc la relation < définit de façon unifiée tous ces codes de Gray. Nous réexprimons les codes de Gray de Walsh et Knuth pour les compositions (bornées) d'un entier à l'aide d'une unique relation d'ordre. Alors, le code de Gray deWalsh pour des classes de compositions et de permutations devient une sous-liste de celui de Knuth, lequel est à son tour une sous-liste du code de Gray réfléchi.

Les travaux de recherche présentés par l'auteur ont pour objet l'application de techniques d'extraction de connaissances à partir de données (ECD) en biologie. Deux thèmes majeurs de recherche en bio-informatique sont abordés : la recherche d'homologues distants dans des familles de protéines et l'analyse du transcriptome. La recherche d'homologues distants à partir de séquences protéiques est une problématique qui consiste à découvrir de nouveaux membres d'une famille de protéines. Celle-ci partageant généralement une fonction biologique, l'identification de la famille permet d'investiguer le rôle d'une séquence protéique. Des classifieurs ont été développés pour discriminer une superfamille de protéines particulière, celle des cytokines. Ces protéines sont impliquées dans le système immunitaire et leur étude est d'une importance cruciale en thérapeutique. La technique des Séparateurs à Vastes Marges (SVM) a été retenue, cette technique ayant donné les résultats les plus prometteurs pour ce type d'application. Une méthode originale de classification a été conçue, basée sur une étape préliminaire de découverte de mots sur-représentés dans la famille d'intérêt. L'apport de cette démarche est d'utiliser un dictionnaire retreint de motifs discriminants, par rapport à des techniques utilisant un espace global de k-mots. Une comparaison avec ces dernières méthodes montre la pertinence de cette approche en termes de performances de classification. La seconde contribution pour cette thématique porte sur l'agrégation des classifieurs basée sur des essaims grammaticaux. Cette méthode vise à optimiser l'association de classifieurs selon des modèles de comportement sociaux, à la manière des algorithmes génétiques d'optimisation. Le deuxième axe de recherche traite de l'analyse des données du transcriptome. L'étude du transcriptome représente un enjeu considérable, tant du point de vue de la compréhension des mécanismes du vivant que des applications cliniques et pharmacologiques. L'analyse implicative sur des règles d'association, développée initialement par Régis Gras, a été appliquée aux données du transcriptome. Une approche originale basée sur des rangs d'observation a été proposée. Deux applications illustrent la pertinence de cette méthode : la sélection de gènes informatifs et la classification de tumeurs. Enfin, une collaboration étroite avec une équipe INSERM dirigée par Rémi Houlgatte a conduit à l'enrichissement d'une suite logicielle dédiée aux données de puces à ADN. Cette collection d'outils dénommée MADTOOLS a pour objectifs l'intégration de données du transcriptome et l'aide à la méta-analyse. Une application majeure de cette suite utilise les données publiques relatives aux pathologies musculaires. La méta-analyse, en se basant sur des jeux de données indépendants, améliore grandement la robustesse des résultats. L'étude systématique de ces données a mis en évidence des groupes de gènes co-exprimés de façon récurrente. Ces groupes conservent leur propriété discriminante au travers de jeux très divers en termes d'espèces, de maladies ou de conditions expérimentales. Cette étude peut évidemment se généraliser à l'ensemble des données publiques concernant le transcriptome. Elle ouvre la voie à une approche à très grande échelle de ce type de données pour l'étude d'autres pathologies humaines.

Les micro et nano billes magnétiques sont de plus en plus utilisées en Biologie et en Médecine, pour une large gamme d'applications. Plusieurs applications utilisent le piégeage et le guidage de ces billes sous l'effet d'un champ et d'un gradient de champ magnétique.Dans la plupart des applications le champ magnétique est macroscopique, créé par un aimant ou un électro-aimant. L'intégration plus poussée est souvent envisagée, dans les articles scientifiques, par des micro bobines ou par des éléments magnétiques doux. Ceux-ci doivent alors être polarisés par un champ externe (de nouveau, un électroaimant ou un aimant). Les micro-aimants mis au point à l'Institut Néel permettent d'obtenir les mêmes inductions que les meilleurs aimants du marché et, par conséquent, de par la réduction d'échelle, des gradients de champ intenses. Ils sont, de plus, favorables à l'autonomie et àla stabilité du système. Le défi est de produire de bonnes couches magnétiques avec des dimensions de l'ordre de 1 à 100 μm et de les intégrer à des Bio-Mag-MEMS.Le dépôt physique par phase vapeur (pulvérisation cathodique triode) est utilisé pour le dépôt de ces aimants de haute qualité, en couche épaisse, et à base de terres-rares. Dans le but d'optimiser les gradients latéraux des champs magnétiques, trois techniques ont été développées:* Le topographic patterning, dans lequel une couche est structurée géométriquement,soit par dépôt sur un substrat pré-gravé, soit par gravure humide après le dépôt.* Le thermo-magnetic patterning, qui exploite la dépendance thermique de la coercivité pour réorienter localement l'aimantation de la couche.* Le micro magnetic imprinting, qui consiste à organiser des particules magnétiques à l'aide des aimants mentionnés ci-dessus et, ensuite, de les noyer dans une couche polymérique.Les micro-aimants présentent l'avantage, majeur pour un microsystème, d'être autonomes. Ils ne nécessitent pas de source externe de champ magnétique, ni d'alimentation électrique. Lors de ces travaux, nous développons des prototypes de microsystèmes fluidiques autonomes basés sur des réseaux de micro-aimants. En premier lieu, la capture par attraction et le positionnement controllé, en utilisant des particules super paramagnétiques comme modèle. Puis, l'étude de phénomènes d'endocytose à l'aide d'éléments biologiques marqués magnétiquement. Dans le but de passer à l'intégration des systèmes, des canaux microfluidiques sont développes sur les réseaux magnétiques. Des particules magnétiques etnon-magnétiques sont introduites dans les canaux et leur positionnement, guidage et tri sont réalisés. L'analyse des solutions triées indique une haute efficacité du système.Les résultats obtenus lors du développement de ces micro-sources de champ magnétiques et de leur intégration dans des microsystèmes, ainsi que la manipulation et tri de particules,démontrent le grand potentiel de ces recherches pour des applications grand public à des systèmes biologiques et médicaux. De plus, la biocompatibilité et l'autonomie de ces systèmespermettent leur utilisation dans des microsystèmes d'analyse totale (μTAS), des systèmespoint-of-care (POC) et des implants biomédicaux, potentiellement jetables et bas coût.

Face à l'épuisement des réserves en carburants fossiles et afin de subvenir à une demande toujours croissante en énergie pour le transport, les scientifiques se tournent désormais vers une ressource quasi-inépuisable et renouvelable : la biomasse. Au sein de la biomasse, les microalgues représentent une source potentielle de biocarburant car elles peuvent contenir des fortes teneurs en lipides et hydrocarbures. Leur croissance extrêmement rapide, l'utilisation du CO2 et de l'énergie solaire pour leur croissance et l'absence de compétition avec l'agriculture traditionnelle confèrent aux micro-algues une très forte attractivité. Deux voies de conversion ont été abordées. Dans un premier temps, nous avons étudié l'hydroconversion de triglycérides avec une molécule modèle (GTO) et charges réelles (huile de poisson et huile de Nannochloropsis obtenu par extraction au CO2 supercritique) sur catalyseurs de type CoMoS et NiMoS sur alumine. Des rendements élevés en alcanes (60- 70%pds) semblables à des carburants fossiles ont été obtenus. Dans un second temps, nous avons étudié la liquéfaction hydrothermale de la Spiruline, peu représentative d'algues lipidiques mais disponible, et d'autres algues (Porphyridium cruentum, Nannochloropsis sp., Ourococcus, Dunaliela salina) pour optimiser ce procédé selon les différentes conditions opératoires avec l'obtention d'un rendement optimal en bio-huile de 35%pds. Cependant, les teneurs élevées en azote et oxygène (8-10%pds) de la bio-huile ne permettent pas de la valoriser directement comme carburant. Cela nous a amené à effectuer une valorisation de la bio-huile avec des catalyseurs hétérogènes de type CoMo, NiMoS, NiMoS-Y supportés sur alumine et SrMoO4-N pour éliminer l'azote et l'oxygène de la bio-huile. Le catalyseur avec le résultat plus satisfaisant a été le SrMoO4-N, avec une teneur finale en alcanes de 70%pds

Les études génétiques, telles que les études de liaison ou d’association, ont permis d’acquérir une plus grande connaissance sur l’étiologie de plusieurs maladies affectant les populations humaines. Même si une dizaine de milliers d’études génétiques ont été réalisées sur des centaines de maladies ou autres traits, une grande partie de leur héritabilité reste inexpliquée. Depuis une dizaine d’années, plusieurs percées dans le domaine de la génomique ont été réalisées. Par exemple, l’utilisation des micropuces d’hybridation génomique comparative à haute densité a permis de démontrer l’existence à grande échelle des variations et des polymorphismes en nombre de copies. Ces derniers sont maintenant détectables à l’aide de micropuce d’ADN ou du séquençage à haut débit. De plus, des études récentes utilisant le séquençage à haut débit ont permis de démontrer que la majorité des variations présentes dans l’exome d’un individu étaient rares ou même propres à cet individu. Ceci a permis la conception d’une nouvelle micropuce d’ADN permettant de déterminer rapidement et à faible coût le génotype de plusieurs milliers de variations rares pour un grand ensemble d’individus à la fois. Dans ce contexte, l’objectif général de cette thèse vise le développement de nouvelles méthodologies et de nouveaux outils bio-informatiques de haute performance permettant la détection, à de hauts critères de qualité, des variations en nombre de copies et des variations nucléotidiques rares dans le cadre d’études génétiques. Ces avancées permettront, à long terme, d’expliquer une plus grande partie de l’héritabilité manquante des traits complexes, poussant ainsi l’avancement des connaissances sur l’étiologie de ces derniers. Un algorithme permettant le partitionnement des polymorphismes en nombre de copies a donc été conçu, rendant possible l’utilisation de ces variations structurales dans le cadre d’étude de liaison génétique sur données familiales. Ensuite, une étude exploratoire a permis de caractériser les différents problèmes associés aux études génétiques utilisant des variations en nombre de copies rares sur des individus non reliés. Cette étude a été réalisée avec la collaboration du Wellcome Trust Centre for Human Genetics de l’University of Oxford. Par la suite, une comparaison de la performance des algorithmes de génotypage lors de leur utilisation avec une nouvelle micropuce d’ADN contenant une majorité de marqueurs rares a été réalisée. Finalement, un outil bio-informatique permettant de filtrer de façon efficace et rapide des données génétiques a été implémenté. Cet outil permet de générer des données de meilleure qualité, avec une meilleure reproductibilité des résultats, tout en diminuant les chances d’obtenir une fausse association. / Genetic studies, such as linkage and association studies, have contributed greatly to a better understanding of the etiology of several diseases. Nonetheless, despite the tens of thousands of genetic studies performed to date, a large part of the heritability of diseases and traits remains unexplained. The last decade experienced unprecedented progress in genomics. For example, the use of microarrays for high-density comparative genomic hybridization has demonstrated the existence of large-scale copy number variations and polymorphisms. These are now detectable using DNA microarray or high-throughput sequencing. In addition, high-throughput sequencing has shown that the majority of variations in the exome are rare or unique to the individual. This has led to the design of a new type of DNA microarray that is enriched for rare variants that can be quickly and inexpensively genotyped in high throughput capacity. In this context, the general objective of this thesis is the development of methodological approaches and bioinformatics tools for the detection at the highest quality standards of copy number polymorphisms and rare single nucleotide variations. It is expected that by doing so, more of the missing heritability of complex traits can then be accounted for, contributing to the advancement of knowledge of the etiology of diseases. We have developed an algorithm for the partition of copy number polymorphisms, making it feasible to use these structural changes in genetic linkage studies with family data. We have also conducted an extensive study in collaboration with the Wellcome Trust Centre for Human Genetics of the University of Oxford to characterize rare copy number definition metrics and their impact on study results with unrelated individuals. We have conducted a thorough comparison of the performance of genotyping algorithms when used with a new DNA microarray composed of a majority of very rare genetic variants. Finally, we have developed a bioinformatics tool for the fast and efficient processing of genetic data to increase quality, reproducibility of results and to reduce spurious associations.

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Le séquençage du génome d’un microorganisme est un jalon important dans l’étude de sa biologie. Quel que soit cet organisme, les outils bio-informatiques nécessaires pour comprendre son génome et le comparer aux autres génomes séquencés seront similaires. Dans cette thèse, l’ADN génomique de parasites et de virus est mis à profit afin de mieux comprendre ces microorganismes. Dans un premier temps, le parasite protozoaire Leishmania est étudié par transcriptomique et par génomique comparative afin de mieux comprendre son infectivité, sa résistance aux antiparasitaires et son mode de vie dimorphique. Ce parasite alterne entre le stade flagellé (promastigote) et le stade intracellulaire aflagellé (amastigote). Afin de faciliter l’analyse par biopuces du transcriptome de Leishmania, un système de gestion et d’analyse de données de biopuces a été conçu. Quatre études utilisant ce système sont présentées sommairement et leurs implications sont discutées. Deuxièmement, le génome de l’espèce Leishmania (sauroleishmania) tarentolae, qui n’est pas pathogène pour l’humain, a été séquencé et comparé à trois espèces infectant l’homme. Cette étude a montré que, même si peu de gènes différencient les espèces, L. tarentolae possède moins de gènes associés au stade amastigote que les autres espèces. Deux familles de gènes ont été trouvées en nombre de copies élevées chez L. tarentolae : GP63 et PSA31C. Ces résultats permettent une meilleure compréhension de la biologie de L. tarentolae et de la virulence des autres espèces de Leishmania. Dans un deuxième temps, les séquences des génomes de virus respiratoires disponibles dans les bases de données publiques ont été analysées pour créer un test diagnostique permettant la détection et l’identification de 25 types de virus respiratoires, dont la grippe A (H1N1) responsable de la pandémie de 2009 et la grippe aviaire A (H5N1). Le test a été validé avec des échantillons de laboratoire et avec des échantillons cliniques. Même si l’étude du parasite Leishmania était indépendante de celle des virus respiratoires, les approches utilisées pour ces deux projets étaient similaires. Ainsi, la bio-informatique est un outil essentiel en microbiologie, car elle est indispensable pour résoudre des problèmes de diverses natures chez des organismes différents. / Sequencing a genome is a milestone in the study of an organism. Bioinformatics allow both to better understand single organisms and to compare them to related species through comparative genomics. This thesis centers on the idea that genome sequence of parasites and viruses can be used in various ways to better understand these microorganisms. Transcriptomics and comparative genomics were used to study the protozoan parasite Leishmania in order to better understand its virulence, its resistance to antiparasitic drugs, and its dimorphic life-cycle, which includes a flagellated free form named promastigote and an aflagellate intracellular form named amastigote. In order to study gene expression in Leishmania, an integrated management and analysis system was created, along with protocols designed for Leishmania microarrays analysis. Four studies using this system are briefly described. In another study, the genome of Leishmania (sauroleishmania) tarentolae, a lizard parasite, was sequenced and compared to human pathogenic Leishmania species. This study showed little difference between the Leishmania species, although L. tarentolae seems to contain less genes associated to the amastigote life-cycle, including the amastin gene. Two gene families were highly expanded in L. tarentolae: the surface metalloprotease GP63 and the promastigote antigen protein PSA31C. These results provide a better understanding of L. tarentolae biology and give insights on the genes involved in virulence in pathogenic Leishmania species. The second part of this thesis concerns the creation of a molecular diagnostic assay for the detection and identification of 25 respiratory virus types, including the influenza A/H1N1 pandemic strain and the avian influenza A/H5N1 strain. This assay was created by analyzing genome sequences available from public repositories and it was afterwards tested on laboratory and clinical virus strains. Although Leishmania and respiratory viruses are distantly related, the approaches used in both projects were similar. Thus, bioinformatics is an essential and ubiquitous science that allows to solve problems in different areas (“omics”) of biology.

Bio-composite materials suitable for replacing wood for use in musical instruments were developed. The mechanical properties of Sitka spruce, the most widely used wood species for this application, were taken as a benchmark when developing the new materials. The materials were characterized by static and dynamic methods to determine the dynamic Young's modulus, shear modulus, internal friction and static mechanical properties. Based on the material characterization, a hand layup process with a two-part closed mould and internal pressure bladder was developed and a total of six prototype ukuleles were manufactured. The results show that the bio-composite material can meet all the necessary criteria for a soundboard material and that an efficient manufacturing process can be developed for producing composite musical instruments. / Des matériaux bio-composites dans le but de remplacer le bois pour les instruments de musique ont été développés. Les propriétés mécaniques de l'épinette de Sitka, une espèce de bois couramment utilisée pour cette application, ont été utilisées comme référence dans l'élaboration de nouveaux matériaux. Ces derniers ont été caractérisés par des tests mécaniques statiques et dynamiques afin de déterminer le module d'élasticité, le module de cisaillement, la friction interne et les propriétés mécaniques statiques. Les résultats de caractérisation ont permis de développer un procédé de fabrication avec un moule en deux parties et un sac pressurisé. Six prototypes de ukulélés ont été fabriqués. Les résultats montrent que le bio-composite peut répondre aux critères nécessaires pour un matériel de table d'harmonie et qu'un processus de fabrication efficace peut être développé pour produire des instruments de musique en matériaux composites.