L'objectif de cette thèse est de développer des outils de modélisation mathématique afin d'étudier la dynamique de transmission des souches de pneumocoque dans la communauté. La dynamique d'émergence et de diffusion de bactéries résistantes dans la population est difficile à anticiper : les phénomènes se produisent à différentes échelles (bactérie, hôte et population) et les bactéries circulent dans des environnements humains complexes (nombreux antibiotiques et vaccins). Dans ce cadre, la formalisation mathématique et la simulation peuvent contribuer à mieux comprendre et anticiper les phénomènes en jeu. Trois questions principales sont posées dans ce travail. Elles portent sur : l'effet d'une modification de l'exposition antibiotique sur la distribution des résistances du pneumocoque ; les conséquences de l'usage de vaccins conjugués sur les distributions de souches ; et l'étude de la dynamique d'incidence des méningites à pneumocoque. Pour y répondre, 4 modèles mathématiques compartimentaux spécifiques sont construits. Les résultats des simulations renforcent l'idée que l'exposition antibiotique est un facteur environnemental majeur pour la sélection des pneumocoques résistants aux antibiotiques. En particulier, ils mettent en évidence l'importance du choix des molécules antibiotiques utilisées et des doses prescrites sur la distribution des résistances dans la population. Ils suggèrent de plus que les virus hivernaux, la consommation antibiotique et l'épidémicité différenciée en fonction de la résistance pourraient expliquer en partie la dynamique des méningites à pneumocoque dans la population.

Des biocarburants alternatifs, utilisant des microsystèmes microbiens, sont actuellement étudiés dans le but de limiter la consommation non raisonnée de ressources énergétiques et le rejet de gaz à effet de serre, qui modifient le climat. Dans cette thèse, nous avons considéré des bioréacteurs à base de microalgues oléagineuses, et des écosystèmes bactériens anaérobies qui décomposent des déchets et produisent du méthane . Ces travaux avaient pour objectif de mieux comprendre ces procédés et d'en améliorer les performances. Nous avons tout d'abord modélisé et étudié des cultures de microalgues en photobioréacteurs, dans lesquels les pigments algaux induisent une forte atténuation lumineuse. Pour les écosystèmes bactériens, nous avons utilisé un modèle précédemment développé. A l'aide de ces modèles et de leurs analyse mathématique rigoureuse, nous avons proposé des stratégies pour optimiser leur productivité. Ensuite, l'étude de la sélection naturelle entre plusieurs espèces de microorganismes dans ces deux écosystèmes a permis de prédire quelles espèces remportent la compétition. Et finalement nous avons montré comment il est possible, dans chaque écosystème, de contrôler la compétition pour diriger la sélection naturelle de façon à avantager des espèces ayant des caractéristiques permettant une performance accrue.

L'ARN polymérase III synthétise de nombreux petits ARN non traduits, dont les ARNt et l'ARNr 5S, essentiels à la croissance de toute cellule. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la régulation de la transcription par l'ARN polymérase III chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Nous avons détecté Sub1 sur les gènes de classe III in vivo. Nous avons également observé que Sub1 est capable de stimuler la transcription par l'ARN III reconstituée in vitro avec les facteurs TFIIIB et TFIIIC recombinants et avec l'ARN Pol III purifiée. Sub1 stimule deux étapes de la transcription : l'initiation et la réinitiation facilitée. Des expériences supplémentaires nous montrent que la protéine interagit directement avec TFIIIB et TFIIIC. Enfin, nous avons pu constater que la délétion de Sub1 dans la levure conduit à une diminution de la transcription par l'ARN Pol III en phase exponentielle de croissance. Par la suite, nous avons cherché à déterminer quel lien pouvait exister entre l'activateur Sub1 et le répresseur Maf1 de la transcription par l'ARN Pol III. Enfin, nous avons également souhaité identifier d'autres éléments pouvant interagir avec la protéine Sub1 au cours de sa fonction de régulateur.

Notre étude de la flore microbienne présente dans les différents liquides de dialyse montre la prédominance de bactéries à Gram négatif dont la paroi renferme des Lipopolysaccharides (LPS). Ces bactéries appartiennent essentiellement au genre <i>Pseudomonas</i>. L'étude de leur répartition selon l'origine des prélèvements indique que les deux espèces majoritaires <i>cepacia</i> et <i>testosteroni</i> sont également les plus ubiquitaires. La caractérisation biochimique des LPS de deux souches appartenant à ces deux espèces nous a permis de dégager les points suivants : (¤) L'analyse par électrophorèse en gel de polyacrylamide (DOCPAGE) ne montre pas de différence significative dans le comportement des LPS extraits selon les deux techniques les plus courantes : les LPS I par la technique P.C.P [Galanos <i>et al.</i>, 1969], et les LPS II par la technique au phénol aqueux [Westphal <i>et al.</i>, 1952]. Les deux souches présentent néanmoins des profils électrophorétiques très différents. Les LPS de P. cepacia 871101 possèdent, outre des LPS de forme R, une homogénéité de structure des LPS de forme S qui semble liée à l'existence d'une protéine cristalline au sein de la paroi [Dooley <i>et al.</i>, 1985]. Les LPS de P. testosteroni sont composés de LPS de forme R et de LPS de forme S qui possèdent des chaînes polysaccharidiques constituées d'un nombre réduit de sous-unités O-spécifiques. (¤) L'analyse de la composition biochimique met en évidence une homogénéité entre les LPS I et les LPS II. Nos résultats confirment certaines données de la littérature concernant les LPS de Pseudomonas [Wilkinson <i>et al.</i>, 1973, Kropinski <i>et al.</i>, 1985] : (#) la teneur en KDO est très variable selon les espèces et selon les souches au sein d'une même espèce ce qui semble indiquer que la partie "core" n'est pas aussi constante au sein du genre <i>Pseudomonas</i> que pour les différents genres bactériens qui composent la famille des Entérobactéries; (#) la quantité de glucosamine varie également selon l'espèce et selon la souche, ce qui traduit la présence d'oses aminés au niveau de la chaîne polysaccharidique de certains LPS susceptibles d'interférer dans le dosage; (#) la composition en oses neutres des LPS de <i>P. cepacia</i> 871101 rejoint les données de la littérature. En revanche, la souche 871204 de <i>P. testosteroni</i> présente deux particularités : une absence totale de rhamnose et la présence de fucose, sucre inhabituel des LPS de <i>Pseudomonas</i>; (#) nous avons trouvé la présence d'acide gras P-hydroxylé de type β-hydroxylaurique (C_12:0 OH₃), différent de celui retrouvé dans les LPS des Entérobactéries. Les études d'activités biologiques effectuées avec le test d'induction de la synthèse d'IL-1 font apparaître des activités spécifiques différentes selon les LPS et selon les souches. Cependant, aucune corrélation ne peut être effectuée entre ces deux tests car ils mettent en jeu des fonctions biologiques différentes : le test LAL fait appel à une fonction de type moléculaire alors que le test IL-1 fait appel à une fonction de type cellulaire. Les résultats de l'étude consacrée au passage des LPS à travers différents types de membranes montrent que pour les membranes d'ultrafiltration, le seuil de coupure nécessaire à la rétention de tout LPS susceptible de réagir avec le LAL et détectable en électrophorèse est de 8 Kda. Ils prouvent également à l'aide de LPS radioactifs (³H-LPS) que le transfert des LPS à travers trois membranes de dialyse du commerce survient dès les premières minutes de la simulation d'une séance de dialyse. Ceci indique que l'hypothèse impliquant les LPS comme l'origine des réactions anaphylactoïdes observées lors de certaines séances d'hémodialyse est confortée par la mise en évidence du passage de ces LPS à travers les membranes des hémodialyseurs du commerce.

La faisabilité d'un réacteur à enzyme malolactique pour effectuer et contrôler la fermentation malolactique (FML) des vins est étudiée. Des bactéries lactiques du vin, <i>Leuconostoc oenos</I> 84-06, sont cultivées en fermenteur de 10 litres, sur un milieu induisant la. fabrication de l'enzyme malolactique. La production d'enzyme est de 0,5 à 0,7 U/ml de milieu de culture, en 60 heures. L'enzyme malolactique est extraite par désintégration des bactéries aux ultrasons. Après action de la DNase 1 et précipitations au sulfate d'ammonium à 35% puis à 70%, l'extrait est filtré sur une colonne de chromatographie d'ultrogel AcA 34. L'enzyme obtenue a une activité spécifique de 8,9 U/mg ; elle a été purifiée à 3,3 fois avec un rendement de 75%. Sa masse moléculaire relative est d'environ 132 000, son point isoélectrique se situe à pH 4,35 et son pH optimum d'activité est de 5,5. Cette enzyme est utilisée pour fabriquer le réacteur (demande de brevet Français No 13131, déposée le 16 octobre 1990). Il s'agit d'un module d'ultrafiltration en fibres creuses de polyamide composé de deux circuits. Dans le circuit interne, le NAD est fixé et l'enzyme circule librement dans un milieu à pH 6 (milieu synthétique ou vin). Le milieu à traiter (milieu synthétique ou vin à pH 3) circule dans le circuit externe. Après passage dans le réacteur d'un milieu synthétique, le rendement de la FML est de 80% à 95% pendant 3 jours. Avec le vin, le rendement est de 50% à 60%. Nous avons montré que la FML des vins est maintenant techniquement réalisable avec un réacteur à enzyme malolactique et NAD. Il faut optimiser chaque étape de façon à pouvoir appliquer cette technique à la FML en continu pour de plus grandes quantités de vin.

Le domaine des biopuces et biocapteurs évolue dans le sens de la miniaturisation. La problématique qui apparait alors concerne l'adressage et l'immobilisation des biomolécules sur des structures devenant de plus en plus petites et intégrées dans des environnements fragiles. Le robot Bioplume a été retenu comme méthode d'adressage, pour la pertinence de l'échelle concernée (1-50µm) et le fort potentiel pressenti de la technique. Le dépôt de biomolécules et la technique spot-dans-spot ont été développés, ce qui réduit de 106 à 109 fois les quantités d'échantillons biologiques. Quatre méthodes d'immobilisation ont ensuite été mises en œuvre, afin d'appréhender les performances et les contraintes de chacune : la silanisation par GPTS, l'auto-assemblage d'alcanethiols, l'utilisation du polymère PLLgPEG et enfin l'électrodépôt par oxydation de pyrrole. L'adaptation de cette méthode électrochimique au robot Bioplume a permis d'apporter une solution efficace à la fois en termes d'adressage et en termes d'immobilisation, car la réaction d'immobilisation est réalisée simultanément au dépôt. Elle a donc été retenue pour deux applications : d'abord la réalisation de matrices de cellules isolées, avec détection par SPRi, puis le dépôt sur la section de fibres optiques. Enfin, trois nouvelles pistes dans le domaine de l'électrochimie localisée ont été explorées : l'électrodésorption de PLLgPEG, la miniaturisation des gouttes grâce à des pointes nanométriques, et enfin l'électrodépôt sur des microélectrodes dédiées. L'une des perspectives principales est la valorisation industrielle du robot Bioplume. Un nouveau prototype est ainsi développé afin de produire des biopuces à haute densité.

La stimulation éléctrique fonctionnelle (SEF) peut améliorer de manière significative la mobilité des blessés médullaires ainsi que la stabilité et la prévention des effets secondaires. Dans le domaine de la SEF pour les membres inférieurs, le couple articulaire doit être fournie de façon appropriée pour effectuer le mouvement prévu afin de maintenir l'équilibre postural. Toutefois, les changements d'état du muscle telle que la fatigue musculaire est une cause majeure qui dégrade ses performances. En outre, la plupart des patients, dont la blessure médulaire est complète, n'ont pas le retour sensorielle qui permet de détecter la fatigue. De plus, et les capteurs de couples in-vivo ne sont pas disponibles à l'heure actuelle. Les systèmes conventionnels de commande SEF sont soit en boucle ouverte ou en boucle fermée mais cependant pas assez robustes aux changements d'état du muscle. L'objectif de cette thèse est le développement de la prédiction du couple articulaire et de la commande en boucle fermée afin d'améliorer les performances de la commande SEF en termes de précision, de robustesse et de sécurité pour les patients. Afin de prédire le couple articliare induit de la SEF, l'électromyographie (EMG) induit est utilisée pour corréler l'activité musculaire éléctrique et mécanique. Bien que la fatigue musculaire représente une variation dans le temps, une dépendance aux sujets et aux protocoles, la méthode proposée d'identification adaptative, basée sur le filtre de Kalman, est capable de prédire le couple articlaire variant dans le temps de manière systématique. La robustesse de la prédiction du couple articulaire a été evaluée lors d'une tâche de suivi de la fatigue en expérimentation chez des sujets blessés médullaires. Les résultats montrent une bonne performance de suivi des variations d'état des muscles en présence de fatigue et face à d'autres perturbations. Basée sur les performances de precision de la méthode prédictive proposée, une nouvelle stratégie de commande utilisant le retour EMG, "EMG-Feedback Predictive Control (EFPC)", est proposée afin de contrôler de manière adaptative les séquences de stimulation en compensant la variation dans le temps de l'état du muscle. De plus, cette stratégie de commande permet explicitement d'éviter d'appliquer une stimulation excessive aux patients, et de générer les séquences de stimulation appropriées pour obtenir la trajectoire désirée des couples articulaires.

La thèse est dédiée au problème de la stéréophotométrie non-Lambertienne sans connaissance a priori sur les conditions d'illumination et son application aux images de boîte de Pétri. Pour obtenir une bonne reconstruction de surfaces non-Lambertiennes, il est proposé de traiter une séquence d'entrée en deux étapes: premièrement il faut supprimer les effets spéculaires et obtenir ainsi des images de surface 'pseudo-Lambertienne'. Ensuite dans une deuxième étape à partir de ces images une reconstruction stéréophotométrique Lambertienne sans aucune information préalable sur les directions d'illumination est effectuée. Dans ce travail nous proposons deux méthodes originales respectivement pour la suppression de spécularités et la reconstruction de surface sans information a priori. Les méthodes proposées sont appliquées pour la caractérisation des colonies microbiennes.La spécularités est un effet optique lié à la nature physique complexe des objets. Il est utile pour la perception humaine des objets 3D mais il gêne le processus de traitement automatique d'images. Pour pouvoir appliquer le modèle Lambertien à la stéréophotométrie, les spécularités doivent être supprimées des images d'entrée. Nous proposons donc une méthode originale pour la correction des zones spéculaires adaptée pour une reconstruction ultérieure. L'algorithme proposé est capable de détecter les spécularités comme des valeurs anormalement élevées d'intensité dans une image de la séquence d'entrée, et de les corriger en utilisant les informations des autres images de la séquence et une fonction de correction continue. Cette méthode permet de faire la suppression des spécularités en préservant toutes les autres particularités de distribution de lumière qui sont importantes pour la reconstruction de surface.Après nous proposons une technique de reconstruction stéréophotométrique de surface Lambertienne sans connaissance a priori sur l'illumination. Le modèle mis en œuvre consiste en quatre composantes, deux composantes (albédo et normales) permettent de d'écrire des propriétés de surface et deux autres (intensités des sources de lumière et leurs directions) décrivent illumination. L'algorithme proposé de reconstruction utilise le principe de l'optimisation alternée. Chaque composante du modèle est trouvée itérativement en fixant toutes les variables sauf une et en appliquant des contraintes de structures, valeurs et qualité pour la fonction d'optimisation. Un schéma original de résolution permet de séparer les différents types d'information inclus dans les images d'entrée. Grâce à cette factorisation de matrices, la reconstruction de surface est faite sans connaissance préalable sur les directions de lumière et les propriétés de l'objet reconstruit. L'applicabilité de l'algorithme est prouvée pour des donnés artificielles et des images de bases publiques pour lesquelles la vérité terrain sur les surfaces des objets est disponible.La dernière partie de la thèse est dédiée à l'application de la chaine complète proposée pour le traitement d'images de boîte de Pétri. Ces images sont obtenues en utilisant les sources de lumières complexes qui sont supposées être inconnues pour le processus de reconstruction. L'évaluation de surfaces de colonies microbiennes s'est révélée être une étape importante pour l'analyse visuelle et automatique des colonies. La chaine proposée est efficace pour ce type de données et permet de compléter les informations d'images par de la surface 3D.

Cette thèse présente différents cas d'acclimatation d'une espèce de phytoplancton (Isochrysis sp.) à des modifications de son environnement physico-chimique avec une attention particulière portée sur la composante lipidique de la réponse aux changements. Dans ce contexte nous avons étudié les lipides à la fois comme des produits (triacylglycerol) et des acteurs (glycolipides) de la photosynthèse. Tout d'abord, nous avons étudié l'influence de plusieurs types de limitation par l'azote sur la teneur en lipides neutres des algues. Nous avons montré que la relation entre la disponibilité de l'azote et la teneur en lipide n'était pas monotone et qu'elle présentait un caractère hystérétique. Les cellules d'Isochrysis sp. n'accumulent des lipides neutres que transitoirement lors du passage d'une croissance forte vers une croissance faible. Nous nous sommes ensuite intéressé aux relations qui existent entre le cycle nycthéméral et l'accumulation de réserves énergétiques sous forme de lipides et de sucres. Les réserves sont accumulées pendant le jour en disproportion du reste du carbone et consommées pendant la nuit pour alimenter la division cellulaire et la croissance nocturne. La carence en azote dans ces conditions nycthémérales ne provoque pas d'accumulations significatives de lipides. Les variations diurnes de la teneur en lipides neutres sont plus importantes que les variations obtenues en carence. A travers ces différentes expériences nous avons pu mettre en évidences les relations qui existaient entre l'environnement, la croissance, et l'accumulation de réserves. La compréhension de ces mécanismes a permis de déterminer les conditions environnementales qui favorisent la production d'huile en vue d'une utilisation biocarburant. Nous avons aussi étudié l'influence des conditions de croissance sur la composition des glycolipides des membranes des chloroplastes. Les résultats montrent que les changements de la teneur en MGDG, DGDG et SQDG et de l'insaturation des acides gras de ces lipides accompagnent les modifications d'activité photosynthétique des cellules en limitation azotée et en cycle Jour/Nuit.

L'étude du comportement des enzymes immobilisées, au moyen de capteurs, a été effectuée grâce à la réalisation d'électrodes enzymatiques fiables, ayant des réponses reproductibles dans le temps. Ces capteurs ont permis de vérifier les résultats de l'étude fondamentale qui débouche ainsi sur la compréhension détaillée des phénomènes essentiels se déroulant au sein de la membrane enzymatique. La méthode mathématique que nous avons adoptée a permis de résoudre un certain nombre de problèmes, en particulier la détermination des paramètres d'une matrice enzymatique, conditionnant le transfert de masse dans les réacteurs biologiques, et la mise en évidence de la "frontière libre" délimitant une zone "gelée". Ainsi nous avons pu expliquer des phénomènes couramment observés en pratique : comportement de l'enzyme immobilisée vis à vis du pH, de la température, de la dénaturation et face au vieillissement. Ces connaissances devraient permettre de prévoir l'action des agents dénaturants pouvant affecter le fonctionnement des réacteurs bi0logiques et d'en améliorer les performances. Nous avons ensuite abordé l'étude du comportement des enzymes en présence des inhibiteurs, étant donné qu'ils sont les principaux effecteurs de la réaction enzymatique. Les essais cinétiques réalisés avec des enzymes en solution ne correspondaient pas à une approche exacte, compte tenu du temps souvent long, nécessaire pour séparer l'enzyme de ses inhibiteurs par dialyse, perméation sur gel, ... Les électrodes munies de membranes contenant des enzymes immobilisées, constituent le moyen idéal pour pallier à cet inconvénient, car nous pouvons à tout instant, mettre l'enzyme en présence ou non de l' inhibiteur. Cette étude a débouché sur la mise en évidence directe du phénomène de réversibilité de l'action d'un inhibiteur. Face aux inhibiteurs non réversibles immédiatement, nos recherches ont conduit à l'utilisation de substances autorisant la régénération rapide et efficace de l'enzyme inhibée. L'étude mathématique appliquée aux inhibiteurs, a permis de différencier les grands types d'inhibition, les méthodes classiques de transformation linéaires telles que celles de Lineweaver-Burk n'ayant plus de raison d'être en phase hétérogène, car les hypothèses de base ne sont plus vérifiées, les enzymes ne fonctionnant pas dans les mêmes conditions (concentrations en substrat, pH, ...) en tout point de la membrane. Le couplage de cette étude fondamentale avec les possibilités de régénération a abouti à la mise au point d'électrodes pour le dosage d'inhibiteurs. Cette méthode de dosage constitue une reproduction du phénomène naturel d'inhibition de notre organisme par des composés polluants. D'autre part, nous avons mis en évidence la possibilité de masquer les effets des inhibiteurs par un choix de conditions telles que l'activité apparente de la membrane enzymatique soit conservée. Le dosage de l'urée sanguine, en présence d'ions fluorures, en est l'exemple le plus marquant. Les capteurs enthalpimétriques nous semblaient être la solution quasi universelle au dosage des composés biologiques, toute réaction s'accompagnant en général d'une variation de l'enthalpie libre. Cependant avec le bruit de fond actuel observé au niveau de tels capteurs, seules quelques substances peuvent donner lieu à un dosage significatif. Nous avons volontairement limité notre étude à un certain nombre de paramètres qui nous ont permis d'obtenir une concordance suffisante entre les prévisions mathématiques et les résultats expérimentaux. D'autres paramètres, affectant l'activité enzymatique, pourraient être mis en évidence dans d'autres conditions expérimentales et font l'objet d'études au sein de notre laboratoire [Thèse Didier Vallin, 1984]. Les progrès réalisés, de nos jours, tant au niveau industriel, qu'agricole, s'accompagnent souvent d'une perte de la qualité de notre environnement. On connaît la pollution des eaux par les rejets industriels et les pesticides, et les conséquences parfois dramatiques aussi bien sur la faune, la flore et,... l'être humain. Aussi l'Homme a-t-il besoin de maîtriser son avenir par une meilleure connaissance des nuisances possibles pouvant provenir d'une amélioration forcenée de sa condition de vie. Aussi, je pense que les électrodes à enzymes immobilisées mises au point, tant pour le dosage des substrats que des inhibiteurs, participent à la réalisation de cet objectif. La qualité de la vie ne doit pas être un vain mot dans les années à venir.