Il existe, aujourd'hui, de nombreuses et efficaces méthodes de caractérisation structurale tridimensionnelle de composés biologiques en phase condensée (RMN, diffraction des rayons X ou dichroïsme circulaire). Depuis une dizaine d'années, ce champ d'études s'est étendu à la phase gazeuse. Ce travail s'inscrit dans ce contexte et concerne le rôle structurant de Na+ sur les acides aminés Gly et Pro et sur des oligo-peptides de Gly et Ala, en combinant approches théoriques et expérimentales de spectroscopie infrarouge d'ions gazeux par dissociation multiphotonique (IRMPD) couplée à la spectrométrie de masse. Les spectres IRMPD expérimentaux des complexes sodiés d'acide aminé, nous ont permis d'identifier la présence exclusive de la forme zwitterionique dans le cas de Pro-Na+ et la présence de la forme non-zwitterionique dans le cas de Gly-Na+, conformément aux résultats de chimie quantique. Ainsi nous avons fourni la première démonstration directe de la présence d'un zwitterion d'acide aminé en phase gazeuse. Il s'agissait des premiers spectres infrarouge d'ions biologiques en phase gazeuse. L'étude théorique des complexes Glyn-Na+ et Alan-Na+ a montré que, pour n<=5, les conformères de plus basse énergie maximisent l'interaction électrostatique du métal avec les n groupements carbonyles, avec ou sans l'amine terminale. Ce comportement a été confirmé d'une part, par des expériences de spectroscopie IRMPD pour n=2,3 et d'autre part, par la détermination des énergies de liaison de ces complexes par la méthode cinétique de Cooks (n=2-4). Pour l'étude théorique de Glyn-Na+, 5<=n<=10, nous avons couplé des recherches conformationnelles Monte-Carlo basées sur des calculs de champ de forces AMBER, à des optimisations par calculs de type ri-BLYP utilisant l'approximation "résolution de l'identité". Cette approche a permis d'explorer en détail des sur! faces de potentiel très complexes. On peut distinguer deux classes limites de conformères, celle où le peptide est globulaire et celle où il adopte une conformation en hélice alpha ou 310. Nous avons montré que les structures les plus basses en énergie présentent le plus souvent une complexation tétradentate avec une forte auto-solvatation. Ces structures sont toutes globulaires pour n<10. Dans le cas de Gly10-Na+, le conformère le plus bas en énergie a une structure globulaire autour du sodium et un domaine de cinq résidus en hélice 310.

La voie de l'aspartate a été étudiée chez le maïs au travers de l'expression des gènes ask1, ask2, akh1 et akh2 codant pour des aspartates kinases, le dosage des acides aminés et le suivi isotopique de l'incorporation du 15N, issu de l'asp-15N, dans les acides aminés dérivés. Il apparaît que la voie de l'aspartate diffère entre deux lignées (lente et rapide) de maïs : une vitesse de germination lente serait associée à un effet inhibiteur de l'accumulation de lysine ou à un contenu limité en thréonine et méthionine. L'étude de l'effet de la lysine, par une recherche de QTLs (T50) en présence d'acides aminés, met en évidence un QTL spécifique à la germination en présence de lysine qui co-localise avec un QTL spécifique à la germination en condition de stress « froid ». L'ensemble des résultats obtenus indique que la teneur en lysine du grain serait en partie responsable de la vitesse de germination

Les acides aminés sont des éléments chiraux essentiels de la vie, ils ont des effets biologiques et pharmacologiques très importants. La séparation chirale des énantiomères des acides aminés est indispensable dans de nombreux domaines tels que l'industrie pharmaceutique, l'agroalimentaire, l'archéologie et la médecine légale. La chromatographie liquide haute performance (CLHP) avec l'utilisation d'une phase stationnaire chirale constitue à l'heure actuelle la méthode de choix pour séparer des énantiomères. Ce travail a permis d'étudier les mécanismes d'interactions mis en jeu dans la fixation et la séparation des énantiomères du tryptophane sur des phases stationnaires chirales (PSCs) de type teicoplanine et teicoplanine aglycone (TAG). Une étude thermodynamique comparative entre ces deux PSCs a permis de déterminer le rôle négatif joué par les trois unités saccharidiques de la teicoplanine dans le processus de discrimination chirale du tryptophane. Ainsi, nous avons montré que cet acide aminé interagit considérablement avec la poche aglycone de la teicoplanine. L'utilisation d'une nouvelle PSC de type teicoplanine, immobilisée de manière non-covalente sur des supports chromatographiques de type C8 et C18, a permis de séparer quelques acides aminés aromatiques et d'inverser leur ordre d'élution énantiomérique (L>D) par rapport à celui classiquement obtenu avec une immobilisation covalente sur gel de silice (D>L). Par ailleurs, nous avons développé une nouvelle classe de sélecteurs chiraux à base d'aminoglycosides en chromatographie chirale d'échange de ligands. Plusieurs énantiomères d'acides aminés et de nucléosides ont été séparés avec succès sur ce nouveau type de PSCs.

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.

Si l'intérêt nutritionnel des acides gras polyinsaturés (AGPI) n-3 dans la prise en charge et la prévention des dysfonctions associées au syndrome métabolique, est bien établi. Les mécanismes d'action spécifiques sous-jacents aux effets bénéfiques de cette famille d'acides gras sont encore en cours d'étude. L'objectif de ces travaux était d'explorer le rôle de l'acide alpha-linolénique ALA ou 18 :3 n-3, dans la modulation des voies affectant l'homéostasie de molécules bioactives dérivant du métabolisme secondaire des acides aminés (le monoxyde d'azote -NO- et le glutathion). L'hypothèse sous-jacente est que ces modulations pourraient expliquer, du moins en partie, le rôle des AGPI n-3 dans le maintien des fonctions biologiques contrôlées par ces métabolites (telles que la fonction endothéliale et le statut oxydant) et impliquées de près dans la physiopathologie du syndrome métabolique. Notre intérêt a porté particulièrement sur la voie de régulation génique via le PPARα et sur son implication dans le contrôle des gènes du métabolisme des acides aminés par l'ALA. Nous avons exploré chez la souris de type sauvage et invalidée pour le PPARα, l'effet de l'apport alimentaire d'ALA dans le cadre de régime normo- ou hyper-lipidiques sur les voies du métabolisme secondaire de l'arginine et de la cystéine. En parallèle nous nous sommes focalisés sur les effets de l'ALA au niveau vasculaire en utilisant un modèle de cellules endothéliales bovines en cultures. De ce travail de thèse s'est dégagé que l'ALA module effectivement le métabolisme secondaire de l'arginine et de la cystéine. L'apport d'ALA (à hauteur de 11% et 42% de l'apport énergétique) augmente la production de NO sans affecter l'expression hépatique des enzymes contrôlant l'utilisation de l'arginine (NOS et ARG). L'apport d'ALA (11%) augmente le pool hépatique du glutathion, alors que les plus forts apports d'ALA (42%) modulent l'expression des principales enzymes impliquées dans les voies d'utilisation de la cystéine (γGCL et CDO). Le PPARα ne semble pas être directement impliqué dans les effets observés de l'ALA, néanmoins, l'invalidation du PPARα rend le métabolisme secondaire des acides aminés plus sensible à la nature des acides gras alimentaire. Une meilleure biodisponibilité du NO et du glutathion suite à l'apport alimentaire d'ALA serait bénéfique pour la physiopathologie du syndrome métabolique. Il semble donc intéressant, à l'issus de ce travail, d'élaborer des études nutritionnelles validant ces effets de l'ALA chez l'homme dans une perspective de recommandations nutritionnelles.

La nécessité de différencier les molécules biologiques selon leur chiralité est d'un intérêt majeur dans l'industrie pharmaceutique. Un nanotube de carbone chiral placé dans une configuration de résonateur diélectrique gigahertz permet de détecter sélectivement et de façon réversible les énantiomères (gauche et droit) d'acides aminés adsorbés sur le résonateur, via la variation de sa fréquence. la sensibilité du capteur est optimisée quand l'angle chiral du nanotube avoisine 15°. pour améliorer les performances de sélectivité chirale du capteur et de conserver sa réversibilité d'adsorption, une hélice peptidique insérée à l'intérieur du nanotube permet de supprimer le contact direct entre le peptide et la molécule sondée. L'hélice peptidique polaire induit sur le nanotube un champ dipolaire chiral, qui exalte les effets non linéaires de polarisation à la surface du tube et augmente la sélectivité. En fonctions des propriétés électriques de l'hélice et du tube , la sélectivité chirale du capteur fonctionnalisé est augmenté de 50 à 10% par rapport au capteur initial. La chiralité des nanotubes de carbone joue un rôle prépondérant dans la stabilisation des nanotubes doubles parois (DWNTs), notamment si les deux parois sont de la même chiralité. Les modes de vibration du tube sont alors grandement modifiés. Par une étude d'un grand nombre de (DWNTs), des lois simples connectant le rayon, l'angle chiral, la longueur des tubes ont été obtenues pour décrire la discrimination chirale en énergie et l'influence de la chiralité sur les modes de vibration Raman de DWNTs.L'extension de ce travail sera d'utiliser les DWNTs comme détecteurs de structures chirales de plus grande dimension.

Dans ce travail, nous nous intéressons à la localisation des protéines adressées vers la membrane du réticulum endoplasmique, et plus spécifiquement à la reconnaissance des segments transmembranaires et des peptides signaux. En utilisant les dernières connaissances acquises sur les mécanismes d'insertion d'un segment dans la membrane, nous proposons une méthode de discrimination de ces deux types de séquences basée sur le potentiel d'insertion de chaque acide aminé dans la membrane. Cela amène à rechercher pour chaque acide aminé une courbe donnant son potentiel d'insertion en fonction de sa place dans une fenêtre correspondant à l'épaisseur de la membrane. Notre objectif est de déterminer ≪ in silico ≫ une courbe pour chaque acide aminé, afin d'obtenir les meilleures performances pour notre méthode de classification. L'optimisation, sur des jeux de données construits à partir des banques de données de protéines, des courbes est un problème difficile que nous abordons grâce aux méthodes méta-heuristiques. Nous présentons tout d'abord un premier algorithme de recherche locale permettant d'apprendre un ensemble de courbes. Son évaluation sur les différents jeux de données montre de bons résultats de classification. Cependant, nous constatons une difficulté d'ajustement pour les courbes de certains acides aminés. La restriction de l'espace de recherche grâce à des informations pertinentes sur les acides aminés et l'introduction d'un voisinage multiple nous permettent d'améliorer les performances de notre méthode et en même temps de stabiliser les courbes apprises. Nous présentons également un algorithme génétique développé afin d'explorer de manière plus diversifiée l'espace de recherche de ce problème.

Les abondances relatives naturelles des différents isotopes stables de l'azote (δ15N) varient selon les tissus au sein d'un individu et selon les individus au sein d'une population, et ces différences reflètent à la fois les caractéristiques de structure et de fonctionnement du métabolisme azoté et ses modulations en lien avec des variations des conditions nutritionnelles et physio-pathologiques. Cette thèse vise, à travers une approche couplée d'expérimentation et de modélisation, à mieux caractériser et comprendre les modulations des δ15N des différents pools azotés et à démontrer la capacité des δ15N à fournir des informations sur les flux azotés de l'organisme, leurs valeurs et modulations, qui sont encore mal connus. Nous avons, dans un premier temps, mesuré les δ15N dans plusieurs tissus (intestin, foie, plasma, muscles, rein, peau...) et dans différentes fractions azotées (acides aminés, protéines, urée, NH4) chez le rat, dans différentes conditions nutritionnelles (chez des rats nourris avec des P de qualité différente, les protéines de lait et de soja) ou physiopathologiques (chez des rats présentant ou non un syndrome métabolique, associant insulino-résistance et obésité, après avoir consommé un même régime potentiellement obésogène). Ces données expérimentales nous ont permis (i) de montrer que l'écart de δ15N entre les protéines tissulaires et le régime est plus important lorsque la qualité protéique est moindre, et (ii) de mettre en évidence que, lors de l'initiation précoce d'un syndrome métabolique associant insulino-résistance et obésité, les δ15N de certains pools métaboliques sont modulés et constituent des signatures isotopiques des modulations métaboliques associées. Par ailleurs, grâce à l'analyse par modélisation compartimentale des cinétiques de δ15N mesurées expérimentalement dans les fractions acides aminés et protéines de différents tissus après augmentation du δ15N du régime, nous avons pu estimer les taux de renouvellement protéique tissulaires et explorer la structure et le fonctionnement des échanges entre acides aminés et protéines des différents tissus et comparer leur degré de compartimentation. Enfin, nous avons développé un modèle multi-compartimental reproduisant l'ensemble des flux azotés inter- et intra-organes de l'organisme et rendant compte des variations de δ15N observées. Cette représentation globale du métabolisme azoté fournit une vision novatrice du fonctionnement intégré du métabolisme azoté dont les données éparses de la littérature ne donnaient auparavant qu'une vision parcellaire et fragmentée. Le modèle a permis de reconstituer les mécanismes qui conduisent à l'observation de différences de δ15N entre pools azotés, de mieux comprendre quelles modulations sont les plus susceptibles d'affecter les δ15N, avec quelle amplitude et dans quel sens, et finalement d'expliquer les variations de δ15N mises en évidence expérimentalement en terme de modulation des flux azotés. L'ensemble de nos résultats d'expérimentation et de modélisation démontre la capacité des δ15N à apporter des informations sur les flux métaboliques azotés et souligne l'intérêt prometteur de cette approche nouvelle pour acquérir une compréhension intégrée du système complexe du métabolisme azoté inter- et intra-organes et des processus homéostatiques qui le régulent et de ses dérégulations pré-pathologiques.

Dans le but de maintenir leur métabolisme et leur prolifération exacerbée, les tumeurs sont dépendantes d’un apport accru en acides aminés. Afin d'optimiser cet apport, les tumeurs surexpriment certains transporteurs clés tels que l'hétérodimère multifonctionnel CD98/LAT1. CD98 (SLC3A2) agit comme co-récepteur des intégrines β et amplifie leur signalisation régulant ainsi la migration et l'adhésion cellulaire. La protéine LAT1 (SLC7A5) est quant à elle responsable du transport des acides aminés (AA) essentiels. Des études antérieures ont suggéré que la fonction CD98/intégrines du complexe est essentielle à la croissance tumorale, alors que LAT1 aurait un rôle mineur dans ce contexte. Cependant, les besoins nutritifs accrus des cellules tumorales nous ont conduit à émettre l’hypothèse contraire selon laquelle l’avantage prolifératif donné par ce complexe serait en réalité supporté par l’activité du transporteur LAT1 et non pas par l’interaction CD98/intégrine. Dans ce contexte, j’ai montré que l’invalidation génétique ou pharmacologique de LAT1 dans différentes lignées tumorales entraine une suppression totale du transport de la leucine, sodium-indépendant. Ceci entrainant une perte d’homéostasie des AA avec l’activation de la voie de stress GCN2, l’inhibition de mTORC1 et la suppression de la croissance tumorale. De plus, l’invalidation génétique de CD98 ne s’est traduite par aucun phénotype visible. Cependant, la suppression de l'activité résiduelle de LAT1 de ces cellules est suffisante pour abolir leur potentiel tumoral. Ainsi, mes résultats démontrent le rôle clé de LAT1 dans la croissance tumorale en faisant ainsi une cible thérapeutique prometteuse. / Tumours rely on external amino acids (AA) uptake to maintain their exacerbated metabolism and proliferation. To optimize AA uptake, tumors overexpress key carriers such as the multifunctional CD98/LAT 1 heterodimer. CD98 (SLC3A2) acts as a co-receptor of β integrins and enhances signaling that promotes cellular migration and invasion. LAT1 (SLC7A5) is responsible for the transport of essential AA. Previous studies have suggested that the CD98/integrin axis of the complex is essential for tumour growth, while LAT1 activity is dispensible. However, the increased nutritional requirements of tumor cells led us to hypothesize that the proliferative advantage given by this complex is in fact supported by the AA transporter activity of LAT1 and not by the CD98/integrin activity. In this context, I have shown that genetic or pharmacological invalidation of LAT1 in various tumor cell lines leads to a complete removal of the sodium-independent leucine transport. This leads to a loss of AA homeostasis with activation of the GCN2 stress pathway, inhibition of mTORC1 and supression of tumour growth. In addition, genetic invalidation of CD98 did not result in any detectable phenotype. However, inhibition of the residual activity of LAT1 in CD98 knockout cells is sufficient to abolish their tumorigenicity. Thus, my results clearly demonstrate the fundamental role of LAT1 in tumour growth and advocate the pharmacology development of LAT1 transporter inhibitors as very promising anticancer agents.

Cette thèse aborde un point clé du couplage entre ces cycles: la dynamique des molécules azotées (AAs) des matières organiques du sol (MOS). Par des expériences d'incubation, nous avons estimé que les flux de biosynthèse des AAs par les micro-organismes du sol lors du processus de décomposition sont de l'ordre de 25% de la biomasse nouvellement formée. Le profil des AAs individuels biosynthétisés de novo est plus dépendant du type de sol que de la nature du substrat. Dans chaque sol, il est très similaire à celui des AAs des MOS. La biodégradation de matériaux végétaux marqués en 13C a révélé la transformation rapide des protéines végétales en matériaux microbiens. Ces résultats montrent que les AAs des MOS sont d'origine microbienne. Nous avons mesuré le renouvellement du C des AAs à long terme dans les horizons de surface de neuf sites présentant des végétations, climats et types de sol variés, en utilisant la technique de traçage par les abondances naturelles en 13C. L'âge moyen du carbone des AAs varie de 50 à 200 ans. Un modèle simple permet de discuter les hypothèses du recyclage des AAs des MOS par les micro-organismes. Les rapports isotopiques stables des AAs individuels ont été mesurés par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse isotopique. À cette fin, nous avons développé une méthode d'étalonnage générique pour la détermination du rapport isotopique des composés spécifiques, par analyse de cultures microbiennes uniformément marquées. Au-delà des résultats présentés, l'étude apporte un large ensemble de données des AAs et examine les variations de l'abondance naturelle en 13C entre les AAs individuels. / We analyzed the coupled dynamics of C and N in Soil Organic Matter (SOM) through the dynamics of N-containing soil organic compounds (amino acids (AAs)) by tracing their carbon atoms. Stable isotope ratios of individual amino acids were measured by gas chromatography coupled with isotope ratio mass spectrometry. For this purpose, we developed a generic calibration method for compound-specific stable isotope ratio analysis, based on the analysis of uniformly labelled microbial cultures. We quantified the biosynthesis of AAs associated with the biodegradation process in four contrasted topsoils through short-term incubation experiments of 13C-labelled substrates. Amino acids-C accounts for ca. 25% of the newly-formed microbial biomass-C. The composition of the de novo biosynthesized individual amino acids was dependent on the soil type, and in each soil was similar to that of SOM amino acids. Biodegradation of 13C-labelled plant materials revealed the rapid conversion of plant proteins into microbial materials. These results together demonstrate that SOM amino acids are of microbial origin. We measured the dynamics of amino acids-C on the long term (decades to centuries) in nine sites using the natural 13C-labelling technique. On average, the age of AAs was equal or slightly inferior to that of bulk soil organic carbon, with mean ages ranging from 50 to 200 years. We built a conceptual model of AAs dynamics to discuss various hypotheses of AAs stabilization. Beyond these perspectives on C and N coupling in soil processes, the overall study brings a broad dataset of amino acids, as well as discuses variations of 13C natural abundance (δ13C) in-between individual amino acids.