The advent and establishment of systems biology has cemented the idea that real understanding of biological systems requires quantitative models, that can be integrated to provide a complete description of the cell and its complexities. At the same time, synthetic biology attempts to leverage such quantitative models to efficiently engineer novel, predictable behaviour in biological systems. Together, these advances indicate that the future understanding and application of biology will require the ability to create, parameterise and discriminate between quantitative models of cellular processes in a rigorous and statistically sound manner. In this thesis we take the regulation of GAL1 expression in Saccharomyces cerevisiae as a test case and look at all aspects of this process: from reporter selection to data acquisition and statistical analysis. In chapter B we will discuss optimal fluorescent reporter selection and construction for investigating transcriptional dynamics, as well as procedures for quantifying and correcting the various sources of error in our microscope system. In chapter 3 we will describe software developed to analyse fluorescent microscopy images and convert them to gene expression data. A number of iterations of the software are tested against manually curated data sets, and the measurement error produced by its imperfections is quantified and discussed. In chapter 4 a method, based on fluctuations in photobleaching, is developed for quantifying both measurement error and the relationship between protein concentration and measured fluorescence. The method is refined and its efficacy discussed. In the last section I make a preliminary application of these methods to investigating the regulatory effect of the GAL10-lncRNA. Interesting phenomena are observed and further investigated using two new strains: genetic variants expressing a fluorescent reporter from the GAL1 promoter, one harbouring a wild type GAL1 promoter and one in which the binding site for the Gal10 noncoding RNA has been removed. The methods developed throughout the thesis are applied and the data analysed. A heterogeneous response, distinguishable between the two strains, is observed and related to cell-to-cell variations in growth rate.

The thesis introduces a concept for a unified platform that enables the use of acoustic and electric fields for particle manipulations in microfluidic environments. In particular, optoelectronic tweezing (OET), also known as light induced dielectrophoresis is fused with acoustic tweezing, also known as acoustophoresis, on a versatile system. The system can be divided into two individual physical units. The first one represents the OET unit which integrates light induced electric fields into a robust microfluidic chip. The OET chip not only operates as a device for electric field generation but also as a transverse resonator to confine acoustic fields. These fields are the result of travelling surface acoustic waves excited by a piezoelectric transducer which defines the second unit. The developed platform is applied to a range of applications such as particle trapping, transporting, focussing, sorting as well particle alterations in form of cell lysis and microbubble insonation.

Les techniques de micromanipulation de molécules d’ADN uniques offrent des perspectives nouvelles pour lire et exploiter l’information contenue dans les génomes. Cela inclut le séquençage, la cartographie, le dénombrement de molécules et l'identification de modifications chimiques de l'ADN. Dans ce contexte, l'Équipe ABCDLab de l'ENS a développé une méthode utilisant l’ouverture et la fermeture mécanique répétée d’une molécule d’ADN en épingle à cheveux par pince magnétique. Cet outil permet de déterminer la position d'hybridation de petits oligonucléotides ainsi que celle d'anticorps révélant la position de marques épigénétiques. Un avantage de cette approche est de pouvoir travailler sur la même molécule pour d’une part identifier les marques épigénétiques et d'autre part réaliser une cartographie de sa position dans le génome. Mon travail de thèse consiste à développer un ensemble de méthodes bio-informatique visant à réaliser cette étape de cartographie. Le signal expérimental consiste en lecture des positions d’hybridation d’un, ou de plusieurs petits oligonucléotides sur la molécule étudiée. Cette mesure permet de construire une signature spécifique de la molécule que l’on peut rechercher dans le génome d’origine. Dans ce travail de thèse, j'ai réalisé des expériences avec sur pinces magnétiques pour acquérir des signatures moléculaires sur des molécules sélectionnées en aveugle dans E. coli. J'ai développé un logiciel capable de faire la recherche de ces signatures dans un génome et ensuite effectué l’ensemble du traitement des données pour tester le logiciel. Après plusieurs étapes d’optimisation, j’ai pu retrouver la position génomique des molécules étudiées, établissant ainsi une preuve de concept de cette stratégie de cartographie. Le travail a concerné l'ensemble de la chaîne de mesure : (1) le choix des sondes utilisées pour constituer la signature d’une molécule observée en optimisant un ensemble de critères liés aux conditions expérimentales et à la combinatoire des motifs de séquence. (2) la mise au point d’algorithmes de cartographie adaptés aux caractéristiques expérimentales des mesures. Enfin, j'ai testé ces algorithmes, à la fois sur des données simulées in silico et in vitro sur de l'ADN d'origine bactérienne. Je discuterais en quoi les performances des solutions de cartographie développées ici sont influencées par, d’une part les limites du montage expérimental actuel, et d’autre part les limites des approches bioinformatiques. Je présenterais les voies d’amélioration possibles de ces dernières. Mes travaux établissent qu'identifier des molécules d’ADN uniques par pinces magnétiques est possible dans le contexte d’application épigénétique et en génomique. / Single molecule micromanipulations technic offer new perspectives to read and unravel genome information. This includes sequencing, mapping, molecule counting and identification of DNA modifications. In this respect, ABCDLab team has developed a cutting edge method using repeated mechanical opening and closing of a DNA molecule with a hairpin shape using magnetic tweezers. This tool allows measuring along the DNA molecule the hybridization positions of oligonucleotides a few bases long and also to locate specific antibodies transiently bound to epigenetic markers. With this approach we can identify with the single molecule level epigenetics markers and localized them on the genome. My PhD work consisted of developing a set of bioinformatics methods to perform DNA mapping using magnetics tweezer signal consisting of hybridization positions along the studied molecule. This measurement may be viewed as a fingerprint of the molecule which can be searched on the reference genome. During my thesis, I have realized an experimental test using magnetic tweezers to acquire a set fingerprint data on a set of blinded selected molecules in the E. coli genome. I have developed a software performing a rapid search of these fingerprints inside the genome. Then I have performed the whole data treatment to check the software on the selected molecules. After several rounds of optimization, I have recovered the genetic position of the studied molecules, establishing a proof of concept of this cartography strategy. The work has addressed the whole measuring chain; (1) by choosing the oligonucleotides best adapted to obtain the molecular signature by optimizing the set of experimental constrains and combinatorial motifs of the sequence. (2) by tuning the cartography algorithm to adapt to the experimental measurement constrains. Finally, I have tested these algorithms, both on simulated data in silico and on experimental fingerprint in vitro. I shall discuss how the performances of these cartography solutions that have been developed here are impacted by the experimental limitations of the present technique, and by the bioinformatics limits. I shall present possible improvements to these methods. My studies constitute a proof of concept for genomic and epigenetic applications.

L’ingénierie tissulaire est une méthode de reconstruction d’organes et de tissus vivants. Elle consiste à ensemencer et faire coloniser un implant spécifique appelé scaffold par des cellules. Ce scaffold est un matériau architecturé doté d’une géométrie adaptée à l’organe à reconstruire. Sa fonction est de servir de guide et de support de régénération au tissu. Afin d’éviter les conséquences à long terme de la présence d’un implant synthétique dans l’organisme (risque de rejet, inflammation ...) l’idéal est d’utiliser un matériau biorésorbable qui, se dégradant au fur et à mesure de la reconstruction, laisse place aux néo-tissus formés. Les polymères biorésorbables sont, grâce à la vaste gamme de propriétés qu’ils proposent, les meilleurs candidats pour ce genre d’applications. Un polymère biorésorbable particulièrement intéressant est le PLA-b-PEG-b-PLA. En effet, celui-ci est biocompatible et possède, par sa structure tribloc, une potentielle vaste gamme de propriétés physiques et mécaniques. La réussite de la reconstruction tissulaire nécessite une parfaite connaissance du comportement mécanique du matériau constituant le scaffold ainsi que son évolution au cours de la dégradation.L’objectif de cette thèse est la caractérisation expérimentale et la modélisation du comportement mécanique des polymères PLA-b-PEG-b-PLA au cours de leur dégradation. L’intérêt est de fournir des outils de dimensionnement de scaffolds biorésorbables pour l’ingénierie tissulaire. Dans un premier temps, des essais de traction-relaxation ont été conduits sur un PLA-b-PEG-b-PLA à différents temps de dégradation. Afin de réaliser ces essais dans des conditions proches de celles rencontrées in vivo, un dispositif expérimental permettant d’accomplir des essais mécaniques en milieu immergé à une température de 37°C a été mis au point. A partir de ces essais, un modèle viscoélastique linéaire capable de prendre en compte la variation des propriétés mécaniques au cours de la dégradation pour de faibles déformations a été réalisé. Dans un second temps, afin de modéliser le comportement mécanique dans une gamme plus large de déformations, un modèle viscoélastique non-linéaire a été développé. Il s’agit d’un modèle quasi-linéaire viscoélastique adaptatif capable de prédire les courbes de traction-relaxation à différents niveaux de déformation ainsi que la perte de propriétés mécaniques au cours de la dégradation. Lors de la troisième partie, des PLA-b-PEG-b-PLA de compositions et masses molaires différentes ont été caractérisés afin d’étudier l’influence de la structure originelle du polymère sur leurs propriétés mécaniques et leur évolution au cours de la dégradation. La capacité du modèle viscoélastique linéaire précédemment développé à prédire le comportement des différents polymères a alors été discutée. Dans une dernière partie, le modèle viscoélastique linéaire dégradable a été utilisé pour simuler numériquement le comportement mécanique d’un tricot potentiellement utilisable en ingénierie tissulaire. / Tissue engineering is an interdisciplinary field that applies the principles of engineering and biological science toward the development of biological substitutes that restore, maintain or improve the development of a whole organ by tissue reconstruction. It consists in seeding an implant called scaffold with cells taken from the patient and cultivated in vitro. The cells will then colonize and recreate tissue that takes the shape of the scaffold. The scaffold is an architecture biomaterial specifically designed for a considered organ. The knowledge of mechanical properties of the scaffold is particularly important. Indeed, it often must be used as a mechanical substitute to the injured organ. Moreover, its mechanical properties must be compatible with those of the host tissue to allow a good tissue regeneration. The main advantage of using biodegradable materials is their degradation along the regeneration process. It means that the material no longer remains in the body at long term avoiding toxicity and inflammation risks. Among biodegradable materials, polymers are particularly interesting due to their large range of properties. A very good candidate for tissue engineering applications is the PLA-b-PEG-b-PLA biodegradable triblock copolymer. This polymer is biocompatible and possesses a good properties modulation. To allow a good tissue reconstruction, the knowledge of the mechanical properties of the scaffold as well as their evolution during degradation is essential.The aim of this work is to characterize experimentally and model the mechanical behavior of the PLA-b-PEG-b-PLA and its evolution during degradation. The interest is to provide tools to size and simulate biodegradable scaffolds for tissue engineering applications. At first, tensile-relaxation tests has been realized on the polymer during different degradation times. In order to realize the mechanical tests in conditions closed to in vivo ones, a specific experimental device has been designed that allows From this tests, a linear viscoelastic model able to take into account the variations of mechanical properties during degradation for small strain has been developed. Then, in order to model the mechanical behavior in a larger range of strain, a non-linear viscoelastic model was realized. In a third part, different polymers PLA-b-PEG-b-PLA with different initial composition has been mechanically characterized in order to study the influence of the original structure on mechanical properties and their evolution during degradation. To finish, the degradable linear viscoelastic model will be used to simulate numerically the mechanical behavior of a knitted textile for potential applications in tissue engineering.