L’étude de la structure de l’ARN est reconnue un sujet d’actualité qui permet de connaître sa fonction. Il existe différentes techniques enzymatiques ou chimiques classiques et récentes couplées au séquençage à haut débit pour étudier la structure de l’ARN. Le projet de thèse vise l’optimisation de deux techniques de cartographie déjà existantes et se divise en deux parties. La première partie concerne l’optimisation de la technique de hSHAPE et ceci en synthétisant de nouvelles sondes fluorescentes à transfert d’énergie capables d’étudier de faibles quantités d’ARN et adaptées au séquenceur d’ADN. Mon travail a permis la synthèse de 5 molécules fluorescentes intermédiaires et l’obtention d’une sonde finale. L’étude de cette sonde a montrée que l’interaction entre les deux fluorophores est majoritairement due à un mécanisme de couplage excitonique causé par la flexibilité et la distance entre les deux entités fluorescentes. De plus, les propriétés de la molécule sont fortement dépendantes du solvant. Dans la deuxième partie, nous cherchons à optimiser la cartographie en solution afin d’étudier le génome entier du VIH-1 in virio. Pour cela, nous avons synthétisé 4 molécules dérivées de l’anhydride isatoïque et modifiées sur la fonction amine N1 par un groupement propyn-2-yle. Nous avons aussi préparé 8 molécules de référence. De plus, des études préliminaires réalisées sur l’ARN 1-311 du VIH-1 ont montré que nos composés modifient l’ARN et qu’il est possible de fixer la biotine-PEG3-azoture par click chemistry sur les ARN ainsi modifiés. / Understanding the function of RNA involved in biological processes requires a thorough knowledge of RNA structure. Traditional chemical and enzymatic reagents and backbonebased cleavage are useful for mapping RNA secondary structure, and on going advances in nucleotide resolution RNA structure probing have made possible increasingly rigorous and quantitative analysis. Although chemical and enzymatic probes are recently coupled to high throughput sequencing, these techniques still suffer from some disadvantages. This project aims the optimization of two existing techniques and is divided into two major topics. The first part aims the optimization of “hSHAPE chemistry”. A practical method is the synthesis of energy transfer dyes from the “BigDyes” family that are useful to study small amount of RNA and are compatible with DNA sequencing. We have done the synthesis of 5 modified dyes and one BigDye. The characterization of this BigDye shows that it exists excitoncoupling mechanism due to the strong interaction between the two transition dipoles. In addition, the solvent influences strongly the photophysical properties of this BigDye. The purpose of the second part is to develop and synthesize new class of isatoic anhydride derivatives useful to map the entire genome of HIV-1 in virio. We have done the synthesis of 4 N-substituted molecules with a propyn-2-yl function and 8 reference molecules. In addition, preliminary results on HIV-1 1-311 RNA showed that these compounds are able to modify RNA and that it is possible to fix a biotin-azide by click chemistry.

L’imagerie par résonnance magnétique trouve depuis ces dernières années des applications notables dans le domaine de l’imagerie moléculaire, qui représente un atout considérable pour l’investigation et la compréhension des processus biologiques. Des agents de contraste dits « intelligents » et spécifiques du processus physiologique que l’on souhaite détecter (pH, température, concentration en ion métallique, métabolite, etc.) sont alors développés. Cette thèse se concentre sur le développement et l’étude de nouveaux agents de contraste conçus pour la détection spécifique de l’activité enzymatique. Ces agents consistent en un complexe de lanthanide paramagnétique de type LnDO3A couplés par le biais d’un espaceur (auto-immolable par exemple) au substrat spécifique de l’enzyme ciblée. Après coupure du substrat par l’enzyme, la structure chimique de l’agent de contraste est modifiée entrainant des variations significatives de la relaxivité et des propriétés paraCEST des complexes. La caractérisation physico-chimique de certains complexes de Ln³⁺ et de Mn²⁺ a été réalisée. Les complexes de Gd³⁺ étudiés ont eu des réponses enzymatiques T1 prometteuses et les complexes de Ln³⁺ paramagnétiques étudiés (autres que Gd³⁺) ont montré une possible détection paraCEST de l’activité enzymatique. Les paramètres influençant l’effet CEST (structure moléculaire du complexe, choix du lanthanide, etc.) ont également été mis en évidence. Cependant la coupure enzymatique de certains composés reste encore à améliorer. / Over the past years, Magnetic Resonance Imaging has found significant applications in the field of molecular imaging, which is a considerable asset for investigating and understanding biological processes. Towards this objective, smart or responsive contrast agents (CA) which are specific of the physiological phenomenon that we aim to visualize (pH, temperature, metal ion concentration, metabolites, etc.) have been widely explored. This thesis focuses on the synthesis and the investigation of novel CAs designed for specific detection of enzyme activities. These CAs consist of a DO3A-type lanthanide chelate coupled via a spacer (e.g. a self-immolative linker) to an enzyme-specific substrate. After cleavage of the substrate by the enzyme, the CA’s chemical structure is modified leading to significant variations in the relaxivity or the paraCEST properties of the complexes. In this context, the physical chemical characterization of several Ln³⁺ and Mn²⁺ complexes has been achieved. Some Gd³⁺ complexes showed promising T1 responses while other paramagnetic Ln³⁺ complexes (Ln³⁺ = other than Gd³⁺) exhibited interesting paraCEST properties for enzymatic detection. The parameters affecting CEST properties (e.g. molecular structure of the complex, choice of lanthanide, etc.) have also been widely investigated. Nevertheless, the enzymatic cleavage of some compounds still need to be improved.

La majorité des méthodes d’analyse et de contrôle actuelles dans l’agroalimentaire sont basées sur une approche ciblée, c'est-à-dire avec une définition en amont des contaminants recherchés, et présentent ainsi le risque de ne pas détecter certaines fraudes ou sources potentielles de contaminations de produits authentiques. C’est autour de cette problématique que le projet Agrifood GPS (Global Protection System), dont fait partie cette thèse, a été initié. Celui-ci a pour objectif principal la mise en place de nouvelles méthodes analytiques de criblage (non-ciblées) afin de garantir l’intégrité des produits analysés. Cette thèse regroupe ainsi les différents résultats obtenus sur des matrices semi-solides (poisson principalement), par RMN Haute Résolution en Rotation à l’Angle Magique (HR-MAS), et sur des extraits de caviar par RMN liquide haute résolution (HR). Ce manuscrit présente, tout d’abord, une méthode de détermination rapide de la fraîcheur et la qualité du poisson basée sur la mesure de deux indicateurs chimiques (le TMA-N et la valeur K) ainsi que les résultats portant sur l’évaluation de la texture du poisson à travers l’étude du temps de relaxation transversale (T2) de l’eau contenue dans les tissus musculaires, ces deux études étant réalisées par RMN HR-MAS. Puis, les résultats des travaux réalisés sur la détermination de l’origine géographique du caviar à l’aide du profil métabolique enregistré par spectroscopie RMN liquide haute résolution et d’analyses statistiques multivariées, dans le cadre de la démarche d’obtention d’une IGP (Indication Géographique Protégée) des producteurs de l’Aquitaine, et sur l’étude de la dégradation du caviar au cours de sa conservation au réfrigérateur sont alors présentés. / Most of the current analytical and quality control methods in the food industry are based on a targeted approach, with an upstream definition of the intended contaminants, and may fail to detect some frauds or contaminations of genuine products. It is around this issue that the Agrifood GPS (Global Protection System), of which this thesis is part of, has been initiated. This project aims at developing new holistic analytical methods (untargeted) in order to ensure the integrity of the foodstuff analyzed. This thesis manuscript gathers the results obtained on semi-solid foodstuffs (mainly fish), by High Resolution Magic Angle Spinning NMR, and on caviar extracts by high resolution liquid-state NMR (HR NMR). First of all, it presents a rapid method to evaluate fish freshness and quality based on the determination of two chemical indicators (the TMA-N and the K-value) and the results of a fish texture study through the measurement of the transverse relaxation time (T2) of water in muscle tissues, both by HR-MAS NMR spectroscopy. Thereafter, are presented the results of the work carried out on the determination of the geographical origin of caviar using the metabolic profile acquired by liquid-state NMR spectroscopy and multivariate statistical analysis in the context of the PGI (Protected Geographical Indication) status for the Aquitaine producers, and on the degradation study of caviar during its storage in a fridge.

Le traitement thermique est basé sur la modification chimique des biopolymères par thermodégradation, en évitant l'ajout de produits chimiques. Ce traitement améliore la stabilité dimensionnelle et la durabilité fongique du bois. Ces améliorations se font au détriment des propriétés mécaniques qui ont tendance à s'affaiblir. Aujourd'hui, plusieurs types de procédés sont utilisés. Ils se distinguent entre autre par la nature du milieu dans lequelle se déroule le traitement. La durabilité de ce nouveau matériau bois est liée au degré de thermodégradation, dépendant des conditions et de l'intensité du traitement. Un pilote de traitement par conduction, travaillant sous vide ou sous azote, mesurant la masse en dynamique est utilisé afin de mieux comprendre l'influence de l'atmosphère. Les résultats obtenus montrent que l'utilisation du vide permet d'éliminer, de l'enceinte de traitement, les produits volatils formées au cours du traitement conduisant à des taux de lignine de Klason plus faibles du fait de la non recondensation des produits de dégradation. Cette limitation de recondensation des produits volatiles engendre des pertes de masse, pour une même intensité de traitement plus faibles, confirmés par des taux de polysaccharides plus élevés pour un traitement sous vide. Des études de cinétiques des réactions de thermodégradation ont confirmé la plus grande sensibilité des feuillus vis-à-vis de la thermodégradation (comparé aux résineux). De plus, ces analyses ont permis d'identifier les principaux produits de thermodégradation du bois qui varient en fonction de l'intensité du traitement et a permis de montrer une thermosensibilité plus importante de la lignine que de l'holocelluloses pour la gamme de températures utilisée. Le fruit de ces travaux est donc une progression significative des connaissances de bases sur les mécanismes de thermodégradation et leurs relations avec les paramètres de traitement / Thermal treatment is based on biopolymer chemical degradation by heat transfer, without additional chemical products impregnation. This process improves the dimensional stability and the decay resistance of wood. These improvements come at the expense of wood mechanical properties of wood which weak. Several types of heating processes exist currently differing mainly by the nature of the inert atmosphere used during treatment. The durability of this new wood material is correlated to the degree of polymers thermal degradation depending on the conditions and the treatment intensity. A conducting heat treatment pilot using nitrogen or vacuum and allowing dynamic record of mass loss is used to understand better the atmosphere influence. The results show that utilization of vacuum permit the elimination of volatile products formed during heat treatment and accumulated in oven, leading to lower extractives and Klason lignin contents due to the non recondensation of thermal degradation products. Limitation of the formation of recondensation products generates a lower mass loss for same treatment intensity and explains the lower polysaccharides degradation during a vacuum process. Fine chemical analyses and the study about thermal degradation reaction kinetics have allowed confirming the higher sensibility of hardwood than softwood to thermal degradation. In addition, these analyses have permitted the volatile thermal degradation products identification related to the treatment intensity. Subsequently, results have shown a higher thermal sensibility of lignin than holocelluloses for temperatures below 230°C. This work is a significant increase in basic knowledge about the mechanisms of wood thermal degradation and their relations with the processing parameters

En France, 5 % des patients hospitalisés contractent une infection nosocomiale. Pour lutter contre ce problème, nous avons développé un nouveau type de films biocompatibles, pouvant être fonctionnalisés, à base de polysaccharides construit par pulvérisation alternée ou simultanée pour les utiliser comme revêtements d’implants biomédicaux. La pulvérisation, issue du dépôt couche-par-couche de polyanions et de polycations, permettent un gain de temps conséquent.D’abord, la complexation du couple chitosane/acide hyaluronique et le dépôt de multicouches sur ces complexes ont été étudiés. Puis, nous avons étudié la construction de films de 3 couples de polysaccharides par pulvérisation alternée et simultanée. La biocompatibilité de ces films a été étudiée pour valider leur utilisation en tant que revêtements de biomatériaux. Enfin, leur fonctionnalisation a été abordée. L’activité de ces revêtements contre différents pathogènes et leur biocompatibilité ont été testées. Cette étude montre qu’il est possible de construire par pulvérisation des films de polysaccharides et de les rendre actifs grâce au greffage de peptides antimicrobiens. / In France, 5 % of the hospitalized patients develop a hospital-acquired infection. To fight this problem, we developed a new kind of biocompatible films based on polysaccharides , which can be functionalized, built by spraying process. Derived from layer-by-layer dipping of polyanions and polycations, spraying let to spare time. First, we focused on the complexation of Chitosane and hyaluronic acid. We investigated the complexation and multilayers coating on this type of complexes. Next, we studied the buildup of polysaccharide films by alternate and simultaneous spray. Biocompatibility of the polysaccharide films was tested to validate their use as biomaterial coatings. Eventually, we investigated their functionalization. Their activityx against different pathogens and their biocompatibility were tested.This study shows that it is possible to build polysaccharide films by spraying methods and to render these films active against different pathogens by grafting antimicrobial peptides.

Cette thèse porte sur les réactions abiotiques catalysées par un acide dans les systèmes biologiques. Elles sont définis comme des systèmes réactionnels composés d'un substrat xénobiotique - un acétal cyclique dans ce travail - stable dans des conditions biologiques et clivable à un pH bas et d'un catalyseur acide hétérogène correspondant biocompatible. Le défi de cette approche est de maintenir le catalyseur actif dans un milieu biologique tamponné et toujours capable d'hydrolyser le substrat xénobiotique d'acétal et de maintenir le pH tamponné du système vivant dans son état d'origine. Dans la première partie de ce travail, nous nous concentrons sur le réglage précis des acétals cycliques. Nous identifions 4 structures acétales et montrons que les changements structurels conduisent à une réactivité différente dans différentes gammes de pH, chacune correspondant à des applications possibles in vivo, notamment des lieurs stables pour les conjugués anticorps-médicaments et des lieurs clivables dans des conditions physiologiques pour la bioconjugaison.La deuxième partie est axée sur le catalyseur biocompatible. Ici, nous identifions deux catalyseurs biocompatibles solides, ayant différents degrés d'hydrophobie et de propriétés d’adsorption : le copolymère Nafion NR-50 et le copolymère PEG-AASA. Nous démontrons qu’avec un traitement approprié, ils peuvent maintenir un pH interne inférieur à 4, hydrolyser le substrat et ne pas affecter le biofluide hautement tamponné utilisé comme solvant. / This thesis object is acid-catalysed abiotic reactions in biological systems. They are defined as reaction systems composed by a xenobiotic substrate – a cyclic acetal in this work - stable in biological conditions and cleavable at low pH and a corresponding biocompatible heterogeneous acid catalyst. The challenge of this approach is to keep the catalyst active in a buffered biological media and still capable of hydrolysing the xenobiotic acetal substrate and to maintain the buffered pH of the living system in its original state. In the first part of this work we focus on the fine-tuning of cyclic acetals. We identify 4 acetal structures and we show that structural changes lead to a different reactivity in different pH ranges, each corresponding to possible applications in vivo, including stable linkers for antibody drug conjugates and linkers cleavable in physiological conditions for bioconjugation.The second part is focused on the biocompatible catalyst. Herein we identify two solid biocompatible catalysts, with different degree of hydrophobicity and adsorbance properties: Nafion NR-50 and PEG-AASA co-polymer. We demonstrate that, upon proper treatment, they can maintain an inner pH < 4, hydrolyse the substrate and do not affect the highly buffered biofluid used as solvent.

Cette thèse est consacrée à la production de matériaux 2D en phase liquide, en utilisant des approches pouvant permettre la production en masse de graphène et de matériaux apparentés. Notre objectif est de surmonter certains problèmes critiques pour le traitement et l'utilisation pratique des encres à base de matériaux 2D et de fournir une compréhension approfondie de la relation structure-propriétés dans ces matériaux, constituant des étapes obligatoires pour leurs applications futures. Cette thèse porte principalement sur l'UILPE et l'exfoliation électrochimique du graphène et du disulfure de molybdène (MoS2), qui ont été choisis comme matériaux prototypes à 2 dimensions. Les approches synthétiques sont combinées à une caractérisation physico-chimique des matériaux produits, à l'aide de techniques telles que l'AFM, la microscopie électronique, la spectroscopie XPS et Raman, ainsi qu'à une caractérisation électrique. Des applications dans le domaine de la détection et de l'électronique ont été explorées et ont permis de démontrer que des approches d'exfoliation en phase liquide pouvaient être utilisées pour obtenir un contrôle précis des propriétés des matériaux 2D ouvrant la voie à leur intégration en tant que matériaux actifs dans de nouveaux dispositifs multifonctionnels. / This thesis is devoted to the production in liquid-phase of two-dimensional materials, by using approaches that may enable mass production of graphene and related materials. We aim to overcome some issues that are critical for the processing and practical use of 2D materials-inks and to provide a deep understanding of the structure-properties relationship in such materials being mandatory steps toward their future applications. This thesis mainly focuses on ultrasound-induced liquid-phase exfoliation and electrochemical exfoliation of graphene and molybdenum disulfide, which have been chosen as prototypical 2D materials. The synthetic approaches have been combined with a multiscale physico-chemical and electrical characterization of the produced materials, by employing techniques such as AFM, XPS and Raman spectroscopy. Applications in the field of sensing and electronics have been explored and allowed to demonstrate that liquid-phase exfoliation approaches can be conveniently employed to achieve a fine control on the properties of 2D materials paving the way to their integration as active materials in novel multifunctional devices.

La cellulose étant l'un des biopolymères les plus abondants, elle est employée dans ce travail de thèse sous sa forme nano-fibrille (2 à 5nm de diamètre et plusieurs microns de long) pour préparer des nanomatériaux durables. Les microfibrilles de cellulose (MFC) chargées positivement ou négativement sont assemblées en couches minces dans ces nanomatériaux par la méthode « Layer by Layer » (LbL) par trempage, pulvérisation ou spin assisté. Les différences entre ces films LbL à base de MFC et les films LbL à base de polymères standards sont discutées brièvement et sont reliées à la forme nanofibrillaire de la cellulose. Les MFC réagissent comme des nano-objets anisotropes et rigides. Les films LbL de MFC sont ensuite intégrés à des membranes de séparation, entre la couche polymérique de séparation et le support poreux, pour améliorer le débit à travers ces membranes. Ces films minces sont également déposés sur des aérogels de cellulose pour améliorer la stabilité de ces aérogels en milieu aqueux. Dans les deux applications, les résultats était encouragent et montre une validation de principe. / Cellulose, one of the most abundant biopolymers, is used in this PhD work in its nanofibrillated form, 2-5 nm in diameter and microns long, to prepare sustainable nanomaterials. Both positively and negatively charged microfibrillated celluloses (MFC) are assembled in these nanomaterials using the versatile Layer by Layer (LbL) assembly methods: dipping, spray assisted-deposition and spin-assisted deposition. A brief comparison between the MFC based LbL assembled films and the standard polymeric LbL films is carried out. Thedifferences between the two species are related to the fibrillar form of cellulose. MFC behaves like rigid anisotropic nano-objects. MFC LbL assembled films are then integrated in separation membranes between active polymeric separation layers and a mechanically stable porous support to improve the flux through these membranes. MFC LbL assembled films are also coated on cellulosic aerogels to improve the wet stability of these aerogels. In both cases, results were encouraging and showed a proof of concept.

Le but de ma thèse a été de concevoir des matériaux chimio-mécano répondants, des matériaux capables de permettre une transformation chimique réversible lorsqu’ils sont soumis à un stress mécanique. Tous les systèmes conçus ont été développés sur des substrats en silicone. Une première approche a consisté à créer des surfaces à sites cryptiques où une biotine est enfouie dans des brosses de chaines de poly(éthylène glycol). Le système streptavidine/biotine a été utilisé comme modèle. Ces surfaces sont anti-adsorbantes à la streptavidine sauf lorsqu’elles sont étirées à 50% où la biotine est reconnue mais les surfaces sont non réversibles. Dans une seconde approche, nous avons modifiés la surface du silicone par adsorption d’une multicouche de polyélectrolytes. Cette stratégie est basée sur la réticulation covalente du film par l’enzyme β-galactosidase modifiée. Nous sommes ainsi parvenus à créer une surface présentant une activité catalytique modulable par l’étirement mécanique, et ce, d’une façon partiellement réversible. Ce travail représente le premier exemple d’un système où une contrainte mécanique imposée à un matériau permet la déformation conformationnelle d’une enzyme et ainsi la diminution de l’activité catalytique. Dans une dernière approche, nous avons conçu un système mixte composé d’un substrat de silicone sur lequel un gel de polyacrylamide est greffée de façon covalente. Des enzymes ou des mécanophores pourront ainsi être inclus dans le réseau polymérique du gel de polyacrylamide et être étirés. Nous sommes parvenus à préparer de tels systèmes où l’hydrogel reste solidaire du film de silicone, sans apparition de craquelures jusqu’à 50%d’étirement. / The goal of my PhD was to develop new routes to design chemo-mechanoresponsive materials, materials that respond chemically to a mechanical stress, in a reversible way. All the systems designed during my PhD thesis were based on the functionalization of silicone sheets. First we created cryptic site surfaces by embedding biotin ligands into PEG brushes. The couple streptavidin/biotin was used as a model system. At rest, the surface so-prepared was antifouling and biotin ligands were specifically recognized by the streptavidin when the surface was stretched at 50%. Unfortunately, in this first approach, the mechanosensitive surface did not lead to a reversible process. In a second approach, we modified the silicone surface by using the polyelectrolyte multilayer (PEM) film deposition. This strategy was based on the covalent cross-linking of modified enzyme, the β-galactosidase, into the PEM. We succeeded in modulating the enzyme activity in the film under stretching and this approach appears as partially reversible under stretching/unstretching cycles. This work represents the first reported system where enzymatic activity can be modulated by stretching due to modulation of the enzyme conformation. In a last approach, we also designed a mixed system consisting of a silicone sheet onto which a polyacrylamide hydrogel is covalentlyattached with the goal to create a stretchable gel into which one can covalently attach enzymes or chemical mechanophores. These enzymes or mechanophores can thus be put under mechanical stress. We succeeded in creating a system that can be stretched up to 50% without detachment of the gel from the silicone and without inducing cracks in the gel.

L’ingénierie des protéines fonctionnelles est un processus d’amélioration des propriétés physiques ou catalytiques d’enzyme au travers d’approches rationnelles et d'évolution dirigée, aussi bien que la combinaison des deux méthodes. Malgré le progrès de la modélisation moléculaire des protéines, les méthodes de prédiction restent aléatoires et un grand nombre de variantes restent à tester. De ce fait, le développement et l’utilisation d’un système de criblage d’activité de protéines à très haut débit, comme la microfluidique en gouttes, est indispensable. Cette thèse de doctorat présente trois projets d’évolution dirigée de protéines en trois approches différentes avec expression d’enzyme in vitro et in vivo. Les plateformes microfluidiques ont été développées et validées pour chaque projet. De plus, plusieurs banques de variants ont été criblées avec, dans certains cas, isolement de molécules 5-10 fois que le clone parental. / This work describes the development of high-throughput droplet microfluidic platforms fine-tuned for protein of interest and their employment in directed evolution experiments. When not available, fluorogenic assay for monitoring desired enzyme activity (-ies) in droplets was developed. Moreover, the in vivo expression allowed the successive integration of microfluidic modules on the same chip. After a couple of evolution rounds the initial retro-aldolase variant was significantly improved. In other project, to meet industrial requirements a high-throughput screening platform for protease evolution in detergent has been assembled and validated. Two evolution rounds showed the accumulation of a certain pool of beneficial mutations over the selection rounds. The research described in this work highlighted that in vitro expression systems are sensitive to the amount of supplied DNA and reaction conditions. This observation led to the development of a multistep completely in vitro microfluidic platform.