Le réchauffement de la planète est une préoccupation mondiale à notre époque. Celui-ci peut s’expliquer en partie par les grandes émissions de CO2 dans l’atmosphère depuis le début de l’industrialisation. Parmi les plus grands émetteurs de CO2, il y a entre autres les véhicules motorisés, le chauffage au charbon et les raffineries de pétrole. Depuis quelques années, un processus commence à être utilisé pour réduire les émissions de CO2 atmosphérique. Ce processus est la capture du CO2 par des solvants aminés régénérables. Dans le cadre de ma recherche, des échantillons d’un solvant aminé qui ont subi un traitement de capture et de régénération du CO2 et qui ont passé différents temps dans ces processus ont été analysés pour déterminer les différents produits de dégradation de ce solvent. L’identification des produits de dégradation permet d’optimiser la méthode de capture du CO2 pour éviter leur production et donc garder son efficacité le plus longtemps possible. La chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse (LC-MS) a été utilisée pour séparer et identifier les différents produits de dégradation. L’utilisation de la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) a permis l’identification des formules chimiques les plus probables pour les produits de dégradation présents. L’ajout d’une cellule de collision à la HRMS a permis d’obtenir plus d’information par fragmentation sur les différents groupes fonctionnels et donc sur la structure des composés inconnus. Lorsque les structures possibles sont peu nombreuses pour une telle formule chimique, des étalons ont été utilisés pour comparer les spectres obtenus et confirmer les structures. Pour les composés ayant trop de possibilités de structures moléculaires, d’autres méthodes d’analyse ont été effectuées, telle la chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS), la spectrométrie à mobilité ionique et la spectroscopie à résonnance magnétique nucléaire (NMR) suite à une collecte de fractions en chromatographie liquide. Au final, aucun nouveau produit de dégradation n’a pu être identifié avec une certitude de 100 %. Le niveau de confiance envers la structure proposée est par contre assez élevé pour certains d’entre eux, mais la difficulté d’obtention d’étalons rend l’identification assez exigeante. L’ensemble de ces travaux de mémoire a été réalisé dans le cadre d’un partenariat industriel. Une autre partie du projet était le développement d’une méthode pour détecter et quantifier deux N-nitrosamines à une concentration de 1 µg/L. La validation de la méthode pour la quantification des nitrosamines a également été effectuée. Les deux nitrosamines sont des résidus des processus de dégradation des amines du partenaire industriel et il est recommandé que leur concentration soit inférieure à 1 µg/L lors du rejet des eaux usées dans une étendue d’eau naturelle (US Environnemental Protection Agency). Il est donc important de les déterminer pour éviter de contaminer les cours d’eaux. La méthode développée utilise une extraction liquide sur support solide comme préparation d’échantillon ainsi qu’une méthode LC-MS pour la séparation et la quantification. La plus grande quantité retrouvée d’une des deux nitrosamines est de 7,30 µg/L, ce qui est légèrement au-dessus des recommandations. / Global warming is one of the most important concerns of this century. It can be associated in major part to CO2 emissions into the atmosphere since the beginning of industrialization. The major CO2 emitters are motorized vehicles, coal heating and oil refineries. Some years ago, a scrubbing process started being used to reduce atmospheric emissions of CO2 from coal burning plants. This process is known as CO2 capture by regenerable amine-based solvents. As part of this master’s research, samples from an amine-based solvent that was subjected to CO2 capture for different amounts of time during the capture regeneration process were analyzed to determine the various degradation products formed from the capture solvent. Identification of the degradation products and their kinetics of formation allow optimization of the CO2 capture method, ideally to avoid their formation and to maximize the efficiency of the capture process over a longer period of use. Liquid chromatography coupled to mass spectrometry (LC-MS) was used to initially select various degradation products present in reasonable abundance. The use of high resolution mass spectrometry (HRMS) allowed the identification of the most probable chemical formulas for the degradation products found in the capture solvent. Addition of a collision cell to HRMS provided more information on the different functional groups by MS fragmentation, and therefore more structural information on the unknown compounds. When there were a few possible structures for a single unknown compound, standards were used to compare the MS spectra obtained and confirm the structures. For the unknown compounds with too many plausible structures, additional analysis methods were used, like gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS), ionic mobility mass spectrometry and nuclear magnetic resonance (NMR) after fraction collection by preparative liquid chromatography. No degradation products were identified with 100 % certainty. The level of confidence towards proposed structures was quite high for some of the unknowns; however, the standards needed to confirm their identification were too costly to synthesize. This entire master’s project was carried out in collaboration with an industrial partner. A secondary part of this master’s project involved the development of a method to detect and quantify two N-nitrosamines at a concentration of 1 µg/L. Validation of the method for the quantification of the two N-nitrosamines was also carried out. The two analytes were residues of the degradation process of a different amine-based CO2 capture solvent where the recommended concentration of the residues should be under 1 µg/L when releasing the wastewater into environmental waters (US Environnemental Protection Agency). It is therefore important to determine these N-nitrosamines to avoid contamination of water bodies. The developed method used solid-supported liquid-liquid extraction (SLE) for sample preparation and LC-MS for separation and quantification. The highest amount of one of the two N-nitrosamines found in the samples supplied by the industrial partner was 7.30 µg/L, which was over the recommended level.

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Lors de cette thèse, nous avons présenté trois principaux types d'analyses du métabolisme, dont la plupart impliquaient la symbiose : dialogue métabolique entre un trypanosomatide et son symbiote, analyses comparatives de réseaux métaboliques et exploration de données métabolomiques. Tous ont été essentiellement basés sur des données de génomique où les capacités métaboliques ont été prédites à partir des gènes annotés de l'organisme cible, et ont été affinées avec d'autres types de données en fonction de l'objectif et de la portée de chaque analyse. Le dialogue métabolique entre un trypanosomatide et son symbiote a été exploré avec des objectifs fonctionnels et évolutifs qui comprennaient une analyse des voies de synthèse des acides aminés essentiels et des vitamines telles que ces voies sont classiquement définies, une exploration de réseaux complets métaboliques et une recherche de potentiels transferts horizontaux de gènes des bactéries vers les trypanosomatides. Les analyses comparatives effectuées ont mis l'accent sur les capacités métaboliques communes de bactéries appartenant à différents groupes de vie, et nous avons proposé une méthode pour établir automatiquement les activités métaboliques communes ou spécifiques à chaque groupe. En plus de la génomique, la dernière étude présentée dans cette thèse a porté sur des données métabolomiques. Nous avons appliqué notre méthode d'énumération d'histoires métaboliques à la réponse de la levure à une exposition au cadmium comme une validation de cette approche sur une réaction au stress bien étudiée. Nous avons montré que la méthode a bien capté la connaissance que nous avons de cette réponse en plus de permettre de nouvelles interprétations des données métabolomiques mappées sur le réseau métabolique complet de la levure.

L’acidose lactique du Saguenay-Lac-St-Jean, ou syndrome de Leigh de forme canadienne-française (LSFC), est une maladie mitochondriale neurodégénérative causée par des mutations du gène LRPPRC et caractérisée par des crises d’acidose menant au décès en bas âge. On ne comprend pas encore les causes exactes de ces crises, et aucun traitement n’est actuellement disponible. L’objectif de cette étude a été de comparer le profil des métabolites sanguins et urinaires chez des sujets LSFC et des témoins, avant et après un repas, par une approche métabolomique ciblée. Le projet s’inscrit dans une démarche à long terme visant l’identification de biomarqueurs prédictifs des crises, permettant d'intervenir plus rapidement afin d’éviter le décès. Les échantillons biologiques ont été prélevés chez 9 sujets atteints du LSFC et 9 témoins appariés, à jeun et 90 minutes après un repas standardisé. Les analyses incluent un bilan biochimique et hormonal, un profil des acides aminés, des acides gras, des acides organiques et des acylcarnitines. Les métabolites significativement modifiés chez les patients peuvent être classés en deux catégories : (i) le reflet d’une dysfonction mitochondriale, et plus particulièrement de l’accumulation d’équivalents réduits en amont de la chaîne respiratoire, et (ii) des indices de risque cardiométabolique, qui s’observent davantage chez les patients adultes malgré leur jeune âge. Ainsi, il serait intéressant d’inclure au traitement des stratégies visant la diminution des facteurs de risque cardiométabolique, notamment par une modification des habitudes de vie. Notre étude démontre la pertinence d’avoir recours à la métabolomique dans l’étude des désordres de la phosphorylation oxydative. / L’acidose lactique du Saguenay-Lac-St-Jean, ou syndrome de Leigh de forme canadienne-française (LSFC), est une maladie mitochondriale neurodégénérative causée par des mutations du gène LRPPRC et caractérisée par des crises d’acidose menant au décès en bas âge. On ne comprend pas encore les causes exactes de ces crises, et aucun traitement n’est actuellement disponible. L’objectif de cette étude a été de comparer le profil des métabolites sanguins et urinaires chez des sujets LSFC et des témoins, avant et après un repas, par une approche métabolomique ciblée. Le projet s’inscrit dans une démarche à long terme visant l’identification de biomarqueurs prédictifs des crises, permettant d'intervenir plus rapidement afin d’éviter le décès. Les échantillons biologiques ont été prélevés chez 9 sujets atteints du LSFC et 9 témoins appariés, à jeun et 90 minutes après un repas standardisé. Les analyses incluent un bilan biochimique et hormonal, un profil des acides aminés, des acides gras, des acides organiques et des acylcarnitines. Les métabolites significativement modifiés chez les patients peuvent être classés en deux catégories : (i) le reflet d’une dysfonction mitochondriale, et plus particulièrement de l’accumulation d’équivalents réduits en amont de la chaîne respiratoire, et (ii) des indices de risque cardiométabolique, qui s’observent davantage chez les patients adultes malgré leur jeune âge. Ainsi, il serait intéressant d’inclure au traitement des stratégies visant la diminution des facteurs de risque cardiométabolique, notamment par une modification des habitudes de vie. Notre étude démontre la pertinence d’avoir recours à la métabolomique dans l’étude des désordres de la phosphorylation oxydative.

De part son profil équilibré en acides aminés essentiels (AAE), la farine de poisson (FP) est la source protéique principale utilisée dans l’alimentation des crevettes d’élevage. Cependant, compte tenu des enjeux du développement durable de la production aquacole, son utilisation doit être réduite, et remplacée par d’autres sources protéiques comme les protéines végétales (PV), qui sont souvent carencées en lysine et méthionine mais riches en cystine. Les conséquences d’un tel changement alimentaire sont peu connues chez la crevette tigrée Penaeus monodon. Pour les évaluer, nous avons utilisédes aliments semi-purifiés reflétant les carences/excès en AA des PV pour estimer les besoins en protéine, lysine et méthionine pour l’entretien et la croissance. Tout en confirmant les données antérieures sur les besoins pour la croissance des stades postlarves, nous avons pu préciser la contribution de l’apport en ces deux acides aminés pour l’entretien. Au niveau métabolique, la variation de l’apport protéique (10, 30, 50% protéine brute) et la carence en méthionine (-30% par rapport au besoin) entraînent une modification de l’activité des enzymes du catabolisme des AA, mais pas celle des voies de reméthylation et transsulfuration. En revanche, et pour la première fois chez la crevette, nos résultats démontrent une épargne de la méthionine par la cystine (et la choline), soulignant l’importance de l’apport en AA soufrés totaux (methionine + cystine). Nos résultats illustrent aussi l’importance qu’il convient d’accorder à la disponibilité des AAE dans les études de remplacement de la FP par un mélange de PV pour améliorer l’utilisation azotée chez la crevette P. monodon. / Due to its well balanced essential amino acid (EAA) profile, fishmeal (FM) is the major protein source used in the formulation of aquafeed for cultured shrimp. To sustain farming systems, its incorporation, however, must be reduced and substituted by other protein sources less well nutritionally balanced, such as plant protein ( PP) which are often low in lysine and methionine but rich in cystine. The metabolic consequences of such a shift in dietary profile are not well known for the black tiger shrimp, Penaeus monodon. To describe these consequences, we used semi-purified diets limiting in lysine and methionine (to reflect PP profile) to determine juvenile requirements of protein, lysine and methionine for both maintenance and growth, applying a factorial approach. Our results confirm the previous data on growth requirement for post-larvalstages of P. monodon while also providing new data on maintenance requirements. At the metabolic level, a variation in the dietary protein level (10, 30, 50 % crude protein) and methionine (adequate or 30% lower) resulted in a significant change in the activity of transdeaminating enzyme, but not those of remethylation and transsulfuration. Nevertheless, we found for the first time that methionine utilisation for body protein accretion can be spared by cystine and choline (up to 50%) in this species, illustrating the importance to consider total sulphur AA supply. Our data also show that full consideration should be given to AA availability in order to develop practical diets with low FM levels for P. monodon.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Ce projet a pour but d’évaluer la capacité de la voie des pentoses phosphates (VPP) dans les racines transgéniques de pomme de terre (Solanum tuberosum) modifiées pour exprimer différents niveaux de l'hexokinase (HK) et de la triosephosphate isomérase cytosolique (cTPI). Dans les racines, la VPP alimente la voie de l’assimilation de l’azote en equivalents réducteurs et permet donc la biosynthèse des acides aminés. Le glucose-6-phosphate produit par l’HK est consommé par la partie oxydative de la VPP catalysée par la glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PDH) et la 6-phosphogluconate déshydrogénase (6PGDH). Les changements dans l'expression de HK et cTPI peuvent affecter le fonctionnement de la VPP et les mécanismes qui sont liés à l’utilisation des équivalents réducteurs produits par la VPP, comme l'assimilation de l’azote et la synthèse des acides aminés. Afin d’évaluer l’effet des manipulations génétiques de l’HK et de la cTPI sur l’assimilation de l’azote, nous avons cultivé les racines transgéniques sur des milieux contenant des concentrations élevées (7 mM) ou basses (0,7 mM) de nitrate d’ammonium comme source d’azote. Les résultats montrent que la culture sur un milieu riche en azote induit les activités G6PDH et 6PGDH. Les données montrent que la capacité de la VPP est plus grande avec des niveaux élevés en HK ou en cTPI. Nous avons aussi pu démontrer une plus grande activité spécifique de l’HK dans les conditions pauvres en azote. Ces données ont été complémentées par des mesures des pools d’acides aminés dans les racines transgéniques cultivées sur différents niveaux d’azote. Aucune tendance notable des pools d’acides aminés n’a été remarquée dans les racines modifiées pour leur contenu en HK suggèrant que la manipulation de HK n’affecte pas l'assimilation de l’azote. Dans les racines transgéniques modifiées pour la cTPI, les ratios Gln/Glu et Asn/Asp sont plus élevés chez les clones antisens, indiquant une assimilation de l’azote plus élevée. Ces résultats ont démontré l'activation de l'assimilation de l’azote chez les clones antisens cTPI dans les conditions élevées et basses d’azote alors que la manipulation de l’HK n’affecte pas l’assimilation de l’azote. / This study investigates the capacity of the oxidative pentose phosphate pathway (oxPPP) and nitrogen metabolism in transgenic potato (Solanum tuberosum) roots modified to express different levels of hexokinase (HK) or cytosolic triosephosphate isomerase (cTPI) growing under different nitrogen regimes. The flux of carbon through the oxPPP in cTPI antisense roots is higher than control roots growing under high supply of N. On the other hand, the conversion of Glucose (Glc) to Glucose-6-phosphate (G6P) is higher in roots overexpressing HK than in antisense HK roots growing at a high level of N. Therefore, overexpression of HK or down regulation of cTPI activities in transgenic roots might be compensated by increased C catabolism through the oxPPP. In order to see the affect of HK and cTPI manipulation on N assimilation, the transgenic roots were grown on media with low or high concentration of ammonium nitrate as the N source. The specific activity of the oxPPP enzymes glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) and 6-phosphogluconate dehydrogenase (6PGDH) were both increased by an increased N supply in HK and cTPI transgenic roots. This is consistent with the provision of reducing equivalents for N assimilation. The data also show that the capacity of the oxPPP is higher in roots with high HK or cTPI activity. We were able to detect higher HK specific activity in N deficient conditions. These data were complemented with measurements of amino acid pools in transgenic roots. No trend in amino acid pools was found in roots modified for HK activity. However, down regulation of cTPI led to higher Gln, Gln/Glu and Asn/Asp ratios, indicating higher assimilation of N. These results demonstrated the activation of N assimilation in cTPI antisense clones while the manipulation of HK is unlikely to affect the N assimilation.

Le présent mémoire est subdivisé en deux principaux sujets. Le premier porte sur le développement d’une hydrolyse de thiazolidines assistée par micro-ondes en vue d’obtenir des cystéines a-substituées. Le second est axé sur le développement d’une méthodologie pour la synthèse catalytique énantiosélective d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs. Dans un premier temps, les rôles et les utilités des acides aminés quaternaires, plus spécifiquement des cystéines a-substituées, seront abordés, puis une revue des différentes méthodes énantiosélectives pour accéder à ces unités sera effectuée. Par la suite, le développement d’une méthode rapide et efficace d’hydrolyse sous irradiation aux micro-ondes de thiazolines sera présenté. Finalement, les études menant à l’application de cette méthode à la synthèse de cystéines -substituées sur grande échelle au moyen de réacteurs en écoulement dynamique et à haut criblage seront détaillées. Dans la seconde partie, les applications ainsi que les synthèses générales des alkylidènecyclopropanes en synthèse organique seront décrites. Plus particulièrement, les applications spécifiques des alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs ainsi que leurs synthèses seront traitées de manière exhaustive. Par la suite, le développement d’une méthodologie énantiosélective catalytique pour la synthèse d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs sera présenté. L’extension de cette méthodologie à la synthèse de dérivés cyclopropanes et cyclopropènes, ainsi que l’application de réactions stéréospécifiques pour les alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs seront brièvement discutées. / The present M.Sc. thesis will be divided into two main subjects. The first part will be focused on the development of an efficient microwave-assisted hydrolysis of thiazolidines for the synthesis of a-substituted cysteines. The second part will be on the development of methodology for the asymmetric synthesis of 1,1-di-acceptor alkylidenecyclopropanes. First, the role and the importance of quaternary amino acids, more specifically of a-substitued cysteines, will be described, then a review of the available enantioselective methods for their syntheses will be reported. Afterward, the development of a fast and efficient microwave-assisted hydrolysis of thiazolidines will be presented. Finally, the studies toward the applicability of the methodology for the multi-gram synthesis of -substituted cysteines using flow and high-throughput reactors will be detailed. In the second part, the general applications and syntheses of alkylidenecyclopropanes will be described. More specifically, the applications of 1,1-di-acceptor alkylidenecycloproanes as well as their syntheses will be exhaustively covered. Then, the development of a catalytic enantioselective methodology for the synthesis of di-acceptor alkylidenecyclopropanes will be presented. The extension of this methodology for the synthesis of cyclopropane and cyclopropene derivatives, as well as the applications of 1,1-diacceptor alkylidenecyclopropane in stereospecific derivatizations will be briefly discussed.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les pucerons sont parmi les principaux ravageurs des cultures dans les régions tempérées. Leur succès comme parasites de plantes repose sur leur fort potentiel reproductif dû à la parthénogénèse durant le printemps et l'été ainsi qu’à la symbiose avec Buchnera aphidicola. Cette bactérie symbiotique obligatoire fournit aux pucerons les acides aminés essentiels qui sont déficients dans leur alimentation déséquilibrée (la sève élaborée des plantes), et contribue ainsi à leur développement et reproduction. Le premier volet de ce travail de thèse a consisté à déterminer les besoins en acides aminés des différents stades embryonnaires, afin d’identifier des facteurs clé de l’association symbiotique au cours du développement du puceron du pois Acyrthosiphon pisum. Cette étude, conduite sur des embryons prélevés in vivo ou mis en culture in vitro, a révélé i) des exigences métaboliques évoluant au cours de développement du puceron, ii) une dépendance au compartiment maternel pour l’approvisionnement des embryons en acides aminés, et iii) de forts besoins en acides aminés aromatiques, notamment en tyrosine, pour les stades embryonnaires tardifs et le premier stade larvaire précoce. Le deuxième volet de cette thèse a alors eu pour objectif l’identification de gènes cibles à l’intérieur des voies révélées par l’approche métabolique. A l’aide d’une puce à ADN dédiée au génome du d’A. pisum, les profils d’expression des gènes du puceron ont été analysés au cours de son développement embryonnaire. L’analyse fonctionnelle des différents groupes de gènes montre que ceux liés au métabolisme des acides aminés présentent de hauts niveaux d’expression et des variations significatives entre les différents stades. La voie métabolique des acides aminés aromatiques et tout particulièrement les gènes menant à la synthèse de la tyrosine, ainsi que les gènes/voies liés à la formation et à la maturation de la cuticule, sont parmi les plus sollicités chez les embryons tardifs. L’ensemble des résultats obtenus par les approches métabolique et transcriptomique suggère une synthèse et une accumulation de tyrosine au cours du développement embryonnaire, en vue de son utilisation comme précurseur pour la sclérotisation et le tannage cuticulaire après la ponte. Le dernier volet de ce travail de thèse a consisté en une analyse fonctionnelle du rôle du gène ACYPI007803, codant l’enzyme catalysant la synthèse de la tyrosine à partir de la phénylalanine, par la technique d’ARN interférence (RNAi). Une augmentation de la mortalité des larves pondues par les femelles traitées est corrélée à la diminution de l’expression du gène cible dans les compartiments symbiotiques (les chaines embryonnaires et les bactériocytes maternels) et confirme le rôle clé du gène ACYPI007803 dans le développement des embryons chez le puceron du pois. / Aphids are among the main crop pests in temperate regions. Their success as parasites of plants is based on their strong reproductive output due to parthenogenetic reproduction during spring and summer and to their symbiosis with Buchnera aphidicola. This obligatory symbiotic bacterium supplies aphids with essential amino acids poorly available in their unbalanced food (the phloem sap of plants), and so contributes to their development and reproduction. The first part of this work consisted in determining amino acid needs of different embryonic stages, in order to identify key factors of the symbiotic association during the pea aphid development. This study, led on embryos taken in vivo or cultivated in vitro in culture media, allowed us to identify: i) the evolution of metabolic requirements of embryos during development, ii) a dependence of embryos from the maternal compartment for their supply in amino acids, and iii) strong needs in aromatic amino acids, particularly in tyrosine, of the late embryonic stages and the early first larval stage of the pea aphid. The second part of this thesis had for objective the identification of key genes inside pathways revealed by the metabolic approach. Using a dedicated oligonucleotides microarray, the gene expression profiles of the aphid were analysed during the development of the insect. The functional analysis of different gene groups showed that genes involved in amino acids metabolism are globally over-expressed, but they also showed significant transcriptional regulations in the switches between the different stages studied here. The metabolic pathway of aromatic amino acids and particularly the genes involved in the biosynthesis of tyrosine, as well as genes / pathways involved in the formation and the maturation of the cuticle, were among the most solicited in the late embryos. These transcriptomic results, taken together with those obtained by the metabolic approach, suggest that the amino acid tyrosine is synthesized and accumulated by the pea aphid during its embryonic development, in order to later be used as precursor for the sclerotization and the cuticular tanning, processes that occur after insect laying. The last part of this work consisted in a functional analysis of the gene ACYPI007803, coding the enzyme catalysing the tyrosine synthesis from the phenylalanine, by using the RNA interference (RNAi) technique. An increase of the mortality of larvae laid by the treated females was correlated with the decrease of the expression of the target gene in the symbiotic compartments (the embryonic fraction and the maternal bacteriocytes) so confirming the key role of the ACYPI007803 gene in the development of the pea aphid embryos.