Une étude comparative de la régulation nutritionnelle du métabolisme des lipides chez la vache et la chèvre laitières a été réalisée afin d’identifier les mécanismes et préciser les spécificités de ces 2 espèces en vue d’une meilleure maîtrise de la quantité et de la qualité de la matière grasse laitière (MGL). Les effets respectifs de régimes riches en concentrés non supplémenté (CTL) ou supplémentés en huile de maïs et en amidon (COS), ou en poudre d’algues (MAP) ou en huile de palme hydrogénée (HPO) sur la plasticité et la composition de la MGL, et sur des indicateurs des métabolismes ruminal, intermédiaire et mammaire ont été étudiés chez la vache et la chèvre (n=12 par espèce) conduites simultanément selon un carré latin 4X4. Les régimes n’ont pas eu d’effet sur la production laitière quelle que soit l’espèce. Cependant, une différence de réponse inter-espèces au régime COS a été observée avec une forte chute de la teneur en MGL (-45%) chez la vache mais pas chez la chèvre. Le régime MAP a conduit à une diminution de la teneur en MGL chez la vache (-22%) et, dans une moindre mesure, chez la chèvre (-15%), tandis que HPO l'a augmentée seulement chez la vache (+13%). Les différences majeures observées avec COS entre les 2 espèces sont attribuées 1/ à des différences de biohydrogénations ruminales (BHR) des AG polyinsaturés avec une plus grande stabilité des voies classiques de BHR chez la chèvre ; 2/ au métabolisme intermédiaire, avec une augmentation des lipides circulants chez la chèvre suggérant une plus grande disponibilité en AG longs pour la glande mammaire (GM). Les réponses à MAP ont été attribuées à des mécanismes similaires chez les 2 espèces mais différents en termes d’indicateurs des métabolismes ruminal et intermédiaire de ceux identifiés pour COS. Chez la vache HPO se distingue par une augmentation du C16:0 et C16:1 cis-9 du lait suggérant un transport et/ou un captage privilégié du C16:0 chez cette espèce. Quel que soit le régime, le métabolisme mammaire des lipides, étudié via l’abondance des ARNm de gènes de la lipogenèse, n’a pas été relié aux données de sécrétions des AG du lait. Nos résultats montrent que la plasticité de la MGL chez deux espèces de ruminants, à priori proches, est contrôlée par des mécanismes différents selon l’espèce et le régime. Nous avons construit une base de données phénotypiques sur 24 animaux de 2 espèces recevant 4 régimes dont l’analyse nous a permis de préciser les mécanismes de synthèse de la MGL. Ce projet de recherche pourrait permettre, in fine, de proposer des outils de monitoring via le phénotypage de la composition fine du lait et de proposer des stratégies d’élevage pour moduler les performances de l’animal. / A comparative study of the nutritional regulation of lipid metabolism in dairy cows and goats was performed to identify the mechanisms and clarify the specificities of these 2 ruminant species in order to better control milk fat yield and quality. The effects of diets containing no additional lipid (CTL) or supplemented with corn oil (5% dry matter intake (DMI)) and wheat starch (COS), marine algae powder (MAP) (1.5% DMI), or hydrogenated palm oil (HPO) (3% DMI), on milk fat plasticity and composition, and on indicators of ruminal, intermediary and mammary metabolisms were studied in cows and goats (n=12 per species) conducted simultaneously according to a 4x4 Latin square design. Dietary treatments had no significant effects on milk yield in both species. Conversely, species-specific response of milk fat content to dietary treatment were observed: in cows, milk fat content was lowered by COS (-45%) and MAP (-22%) and increased by HPO (+13%) compared with CTL, and in goats, only MAP had an effect compared with CTL by decreasing milk fat content by 15%. The major differences observed for COS among species were attributed 1/ at differences in the polyunsaturated fatty acids (FA) ruminal biohydrogenation (RBH) processes with a greater stability of the classical RBH pathways in goats; 2/ at the intermediary metabolism, with an increase in circulating lipids in goats suggesting a higher availability of long chain FA for mammary gland (MG). Responses on MAP treatment were attributed to similar mechanisms among species but different to those outlined for COS in terms of indicators of ruminal and intermediary metabolisms. In cows, HPO was characterized by an increased in milk 16:0 et cis-9 16:1 suggesting a favoured transport and/or uptake of 16:0 in this species. Whatever the dietary treatment the mammary lipid metabolism studied by the mRNA abundance of few lipogenic genes was not related with milk FA yields. Our results demonstrated that the milk fat plasticity in two closely related ruminant species is controlled by different mechanisms depending on species and dietary treatments. We produced a database on 24 animals of 2 species receiving 4 dietary treatments. The dataset analysis allowed us to enhance our knowledge on regulation mechanisms of milk fat synthesis. This research project will contribute for the development of monitoring tools based on milk composition phenotyping, and to propose husbandry strategies that modulate animal performance.

Dans les pays industrialisés, les pathologies oculaires à composante vasculaires, que ce soit la rétinopathie du prématuré (ROP), la rétinopathie du diabétique ou la dégénérescence lié à l’âge, représentent la première cause de cécité respectivement chez l’enfant, l’adulte et la personne âgée. Plusieurs études sur l’homme ou sur des modèles animaux ont souligné le rôle crucial joué des acides gras polyinsaturés (AGPI) au cours de ces rétinopathies et notamment l’action préventive des acides gras polyinsaturés oméga 3 (AGPI n-3) sur l’angiogenèse pathologique. Ces AGPI sont estérifiés dans les glycérophospholipides constituant les membranes cellulaires. On les retrouve également dans une classe particulière de glycérophospholipides, les plasmalogènes. La particularité des plasmalogènes réside dans leur liaison vinyl-éther en position sn-1 au lieu d’une liaison ester dans les autres glycérophospholipides. Les AGPI sont libérés des plasmalogènes par une phospholipase indépendante au calcium, la iPLA2, pour devenir des métabolites actifs. Les plasmalogènes via la libération des AGPI joueraient un rôle dans la mise en place et la maturation du réseau vasculaire rétinien et ce, notamment grâce à la bonne mise en place du réseau astrocytaire. Les astrocytes et les cellules de Müller sont les cellules macrogliales qui servent de soutien physique et métabolique à la rétine. De plus, les cellules de Müller participent au métabolisme des lipides. L’objectif de ce travail de thèse a été d’évaluer l’implication des plasmalogènes dans le métabolisme des cellules de Müller et des astrocytes mais aussi dans la communication entre ces cellules macrogliales. Nous avons également étudié le profil lipidique d’enfants prématurés pour mettre en évidence de potentielles altérations du métabolisme des plasmalogènes chez des nouveau-nés développant une rétinopathie à composante vasculaire, la rétinopathie du prématuré (ROP). Pour ce faire nous avons étudié les effets d’une diminution en plasmalogènes et/ou en iPLA2 sur des cellules de Müller en culture primaire après avoir préalablement vérifié l’expression de l’enzyme clef de la biosynthèse des plasmalogènes. Nous avons ensuite étudié les effets d’une diminution des teneurs en plasmalogènes sur la communication calcique entre les cellules de Müller et les astrocytes. Nos résultats ont montré que les cellules de Müller expriment l’enzyme-clé de synthèse des plasmalogènes et que ces cellules sont plus riches en plasmalogènes que la rétine entière. Les plasmalogènes seraient impliqués dans le contrôle de la migration des cellules de Müller par l’action de la voie ERK1/2 MAPK. Ces effets ne semblent pas passer par la libération des AGPI. De plus nos résultats suggèrent une dégradation de la communication entre les astrocytes et les cellules de Müller en cas de diminution des teneurs en plasmalogènes dans les cellules de Müller. Enfin chez l’homme nous avons mis en évidence une accumulation des AGPI n-6 au détriment des AGPI n-3 dans les érythrocytes des enfants développant une rétinopathie du prématuré et inversement dans le groupe d’enfants prématuré contrôle. L’ensemble de ces travaux confirme l’importance du métabolisme lipidique, et plus particulièrement celui des plasmalogènes, sur le fonctionnement de la rétine. / Retinal vascular disorders such as retinopathy of prematurity (ROP), diabetic retinopathy or age-related macular degeneration represent the first cause of vision loss at all ages in industrialized countries. Many epidemiological or animal studies have shown the involvement of polyunsaturated fatty acids (PUFA) in the regulation of vascular development and more specifically the beneficial properties of omega 3 PUFA (n-3 PUFA) against pathological vascularization. Those PUFA are esterified on glycerophospholipids (GP). GP are the primary constituents of the lipid bilayer of cell membranes. PUFA can be also esterified on a specific class of GP, called plasmalogens. Plasmalogens are characterized by the presence of a vinyl ether linkage at the sn-1 position of glycerol instead of an ester linkage as seen in other GP. PUFA are released from plasmalogens by a calcium-independent phospholipase (iPLA2). Free PUFA can be converted into biologically active metabolites. Plasmalogens may have an impact on the development and the maturation of retinal vascular network through the PUFA they release through the control of astrocyte template formation prior to vessel formation. Astrocytes and Müller cells are macroglials cells providing physical and metabolic supports to the retina. Müller cells are key actors of the retinal lipid metabolism. The aim of this work was to evaluate the involvement of plasmalogens in Müller cells and astrocytes metabolism as well as in the ability of these cells to communicate. On one hand, we have studied the effects of a decrease in plasmalogen biosynthesis and/or in iPLA2 activity on Müller cell physiology. Müller cells express a biosynthesis key enzyme of plasmalogen and reducing the biosynthesis of plasmalogens affects Müller cell ability to migrate through the ERK1/2 MAPK signalling. In a second series of studies, we studied the repercussions of such modifications on Müller cell physiology on their ability to communicate with retinal astrocytes through calcium signalling. Our results suggest that affecting plasmalogen metabolism in Müller cells alters the communication between astrocytes and Müller cells. Finally, and in order to investigate whether plasmalogen metabolism may be modified in a human disease displaying abnormal retinal vascular development, we performed a lipidomic study of circulating lipids in infants affected by retinopathy of prematurity. ROP was characterized by the accumulation of n-6 PUFA at the expense of n-3 PUFA, these changes being associated to plasmalogens. All these experiments confirm the importance of lipid metabolism, and especially plasmalogens, on the retina functioning.

Une population mondiale croissante et l’épuisement des ressources fossiles a conduit à une augmentation de la demande alimentaire et énergétique. Si les plantes oléagineuses sont majoritairement exploitées pour leurs fruits et leurs graines riches en huiles dans le secteur agroalimentaire, elles sont également valorisées comme alternative aux produits pétrosourcés (biolubrifiants, biocarburants). La production de lipides et d’acides gras inhabituels a rapidement suscité un intérêt envers les organismes unicellulaires : les levures. L’objectif de ce travail consiste à étudier deux modèles biologiques : la graine de lin (Linum usitatissimum), dont l’huile est constituée à 57% d’oméga-3, et la levure oléagineuse Yarrowia lipolytica, exploitée comme châssis biotechnologique. L’approche utilisée pour appréhender le métabolisme lipidique est la fluxomique. De plus, la conception d’un modèle prédictif reposant sur un marquage isotopique (MFA) ou la contrainte (FBA) permet une analyse dynamique du métabolisme. L’étude comparative de trois lignées de lin (teneurs en huile et oméga-3 différentes) a permis une meilleure compréhension des mécanismes menant à l’accumulation des lipides (jusqu’à 44,2 g.100g-1 MS). Ainsi, nous avons pu montrer que l’assimilation du saccharose et la remobilisation de l’amidon sont essentiels à la synthèse des précurseurs et du NADPH nécessaires à la synthèse des AG. Une forte implication de la glycolyse cytosolique et de la voie des pentoses phosphate plastidiale a pu être notée, tandis que la synthèse des protéines et de la paroi cellulaire a été une étape plutôt limitante. De plus, la PDAT semblerait être une enzyme essentielle à l’incorporation d’acides gras polyinsaturés dans les TAG. L’étude de trois souches de Yarrowia lipolytica a également permis d’appréhender le métabolisme de la levure. L’assimilation d’une source de carbone alternative au glucose (glycérol) a entraîné une redirection métabolique majeure vers la néoglucogénèse. Le flux majoritaire pour la synthèse des TAG emprunte la glycolyse et une partie du cycle de Krebs, afin de convertir le citrate en acétyl-CoA. L’optimisation de la voie Kennedy (GPD1 et DGA2) a permis une amélioration du contenu en lipides : +72% par rapport à une souche optimisée pour la synthèse des acides gras inhabituels (expression du gène LRO1, codant pour une PDAT). Les principales voies compétitives sont la synthèse de glucides de réserve et la sécrétion de citrate, réprimée ici grâce à une assimilation de glucose modérée. La PDAT est là encore impliquée dans l’accumulation des acides gras inhabituels. / Growing world population and depletion of fossil resources have led to an increasing food and energy demand. While oleaginous plants are mostly cultivated for their fruits or their seeds in food industry, they are also valued in as an alternative to petrochemicals (biolubricant, biofuels). The production of lipids and unusual fatty acids increased the interest for unicellular organisms: yeasts. The aim of this work is to study two biological models: flax seed (Linum usitatissimum), whose oil is made up of 57% omega-3, and yeast Yarrowia lipolytica, exploited as a biotechnological chassis. The approach used to understand lipid metabolism is fluxomics. In addition, the development of a predictive model based on isotopic labelling (MFA) or constraint-based one (FBA) allows a dynamic analysis of the metabolism. The comparative study of three flax lines (with different oil and omega-3 levels) provided a better understanding of the mechanisms leading to lipid accumulation (up to 44.2 g.100 gDW-1). Therefore, we have been able to show that sucrose assimilation and starch remobilization are essential for fatty acid precursors and cofactors synthesis. Strong involvements of cytosolic glycolysis (G3P, acetyl-CoA) and pentose phosphate pathway (NADPH) have been noted, while protein and cell wall synthesis are limiting steps. In addition, PDAT would be a central enzyme for the incorporation of PUFA into TAGs. The study of three Yarrowia lipolytica strains also helped us to better understand yeast metabolism. The assimilation of an alternative carbone source to glucose, glycerol, led to a major metabolic redirection towards gluconeogenesis. The TAG synthesis flux especially uses glycolysis and a part of TCA cycle to convert citrate into acetyl-CoA. Kennedy pathway optimizations (GPD1 and DGA2 gene overexpression) allowed a lipid content improvement: +72% compared to a strain optimized for the synthesis of unusual fatty acids (LRO1 gene expression, encoding for a PDAT enzyme). The main competitive pathways are carbohydrate synthesis (glycogen) and citrate secretion (here repressed thanks to slow glucose assimilation. PDAT (LRO1 gene) also led to unusual fatty acid accumulation.

L’obésité est un état physiopathologique d’origine multifactorielle caractérisé par une accumulation excessive de tissu adipeux (TA). Elle est associée à une augmentation du risque de développer une insulino-résistance (IR), un syndrome métabolique et, à terme, un diabète de type 2. L’altération des fonctions du TA au cours de l’obésité joue un rôle central dans l’apparition des troubles métaboliques, tels qu’une accumulation ectopique de graisse et une IR périphérique, notamment dans le muscle. Dans ce contexte, la qualité des apports énergétiques et plus précisément en lipides pourrait jouer un rôle important dans l’adaptation des tissus au cours de l’obésité. Ainsi le palmitate (PAL), un acide gras saturé (AGS) est pro-lipogénique, pro-inflammatoire et lipotoxique, ce qui favorise l’apparition d’une IR. Les acides gras polyinsaturés oméga-3 (3) auraient des effets antagonistes au PAL et donc potentiellement protecteurs vis-à-vis des perturbations métaboliques associées à l’obésité. Parmi les 3, les effets spécifiques des trois principaux acides gras alimentaires, les acides alpha-linolénique (ALA), éicosapentaénoïque (EPA) et docosahexaénoïque (DHA), ont été très peu décrits.L’objectif principal de ce travail de thèse a été d’étudier les effets propres de l’ALA, de l’EPA et du DHA sur les altérations métaboliques induites en situation d’obésité. Des explorations mécanistiques ont été réalisées sur les cellules musculaires C2C12 dans lesquelles l’IR a été induite par le PAL et sur des adipocytes 3T3-L1 pour étudier l’impact des AGPI 3 sur la différenciation adipocytaire. Les effets des AGPI 3 ont ensuite été étudiés in vivo, en supplémentant des souris C57BL/6 sauvages ou déficientes en leptine (ob/ob) lors de la consommation d’un régime obésogène riche en lipides et en sucrose (mimant un régime occidental).Dans les cellules musculaires C2C12, les trois 3 co-incubés avec le PAL ont induit de façon comparable une diminution du contenu en composés lipotoxiques et une amélioration de la captation du glucose, mais seuls l’EPA et le DHA ont restauré la -oxydation du PAL et l’activation de la voie de signalisation de l’insuline. De plus, l’EPA et le DHA ont eu un effet protecteur supérieur à l’ALA vis-à-vis de l’inflammation induite par le PAL. Dans le modèle in vivo, seul la supplémentation en EPA a amélioré l’homéostasie du glucose en comparaison avec les supplémentations en ALA et en DHA. Alors que l’EPA a réduit la prise de masse grasse, le DHA a induit une hypertrophie des cellules adipeuses associée à une augmentation de la sécrétion de leptine et une baisse de la sécrétion d’adiponectine. Dans un modèle d’adipocytes 3T3-L1 en culture, le DHA a accéléré la différenciation des préadipocytes en comparaison avec l’ALA et l’EPA, pouvant expliquer son effet hypertrophique in vivo.En conclusion et dans nos conditions expérimentales, les 3 ALA, EPA et DHA ont bien des effets communs sur le métabolisme lipidique et glucidique in vitro mais également des effets propres qui ont permis de montrer qu’une supplémentation nutritionnelle en EPA serait plus intéressante pour limiter l’IR in vivo par rapport au DHA ou à l’ALA. Le DHA a quant à lui favorisé l’hypertrophie du TA, perturbant ainsi la sécrétion des adipokines participant à la régulation de la sensibilité à l’insuline des tissus périphériques, comme le muscle squelettique. / Obesity is characterized by an excess of adipose tissue (AT) mass and may be caused by multiple factors. It is associated with an increased risk of the development of insulin-resistance (IR) and metabolic syndrome, leading to type 2 diabetes. The impairment of lipid storage in the AT play a central role in obesity-associated disorders, as it leads to ectopic lipid accumulation and peripheral IR notably in muscles. In this context, the quality of dietary lipids may play a role in the regulation of AT and muscle metabolisms. In fact, palmitic acid (PAL), a saturated fatty acid (SFA) induces lipogenesis, inflammation and lipotoxicity favoring IR in many tissues. On the contrary, omega-3 polyunsaturated fatty acids (3) have protective effect against obesity-associated disorders. Among them, linolenic (ALA), eicosapentaenoic (EPA) and docosahexaenoic (DHA) specific effects remained partially described.This work aimed at exploring the specific effects of 3 on metabolic disorders and the development of obesity. Mechanisms were studied in C2C12 muscle cells during PAL-induced IR and in 3T3-L1 adipocytes to determine the impact of 3 on adipocyte differentiation. In vivo, the effects of 3 were investigated by supplementating C57BL/6 wild-type or leptin-deficient (ob/ob) mice with ALA, EPA or DHA during a high fat / high sucrose diet (mimicking a western diet).In C2C12 muscle cells, co-incubation of 3 with PAL induced a similar decrease in the content of lipotoxic compound and improved glucose uptake, whereas only EPA and DHA restored -oxidation and insulin signaling activation. Furthermore, EPA and DHA were more potent to reduce PAL-induced inflammation compared to ALA. In mice, only EPA improved whole body glucose homeostasis compared to ALA and DHA. While EPA reduced body fat gain, DHA induced hypertrophy in AT, increased leptin secretion and decreased those of adiponectine. In cultured 3T3-L1 adipocytes, preadipocyte differentiation was also induced by DHA compared to ALA and EPA and might explain the hypertrophy observed in mice.In conclusion and in our experimental conditions, ALA, EPA and DHA have common effects on in vitro lipid and glucose metabolism but also specific effects, demonstrating that EPA would be more interesting to limit IR in vivo compared to DHA or ALA. DHA favored hypertrophy of AT and disturbance of adipokine secretion involved in peripheral regulation of insulin sensitivity, notably in muscle.

Les réserves de pétrole sont sur le déclin, les prix des ressources fossiles fluctuent et le CO 2 dégagé par leur consommation contribue inéluctablement au réchauffement climatique. Ce phénomène, conduit notre société vers l'utilisation accrue de biomasse pour la génération d'énergie, de composés chimiques et de matériaux. La réduction des déchets est considérée comme indissociable de cette transition énergétique et en opposition aux préjugés, l’accroissement des déchets organiques peut être bénéfique dans cette recherche de solutions alternatives. En effet, cela conduit à la génération de grandes quantités de matières qui peuvent représenter de potentielles ressources. De plus, changer le statut des déchets en coproduits pour la production de bioénergies n’entre pas en concurrence avec les filières alimentaires et cela constitue un des principaux enjeux des biotechnologies. Sous certaines conditions, les bioconversions anaérobies représentent des procédés d’ingénierie prometteurs pour accomplir le double enjeu de la valorisation des coproduits et de la production de molécules d’intérêt énergétique et chimique (biocarburants, chimie verte...). En revanche, l’innovation dans les biotechnologies blanches est nécessaire pour la production robuste, performante, rentable et environnementalement acceptable de biomolécules à partir de ressources renouvelables. Dans ce contexte, la société AFYREN a été pensée et créée pour répondre à ce défi mondial via sa technologie « tout en un », AFYNERIE, qui s’inspire de la nature et des sciences. L’objectif premier de ce travail de thèse, cœur du procédé AFYNERIE, était d’étudier les performances de microorganismes anaérobies, sous forme de souches pures ou de consortia pour la valorisation de substrats plus ou moins complexes via un processus de méthanogenèse avortée. Pour cela, il était nécessaire de considérer, déjà à l’échelle du laboratoire, une projection dans le monde industriel. Nous avons alors démontré les capacités de la diversité microbienne à produire des molécules plateformes à partir de coproduits agro-industriels réels en mode stérile puis non stérile. Cette étude s’est appuyée en parallèle sur la caractérisation et la dynamique des populations microbiennes mises en jeu. Ensuite, l’accumulation des métabolites, à la fois inhibiteurs et d’intérêt, dans les milieux fermentaires en mode discontinu et avec des rendements compétitifs, a débouché sur la nécessité de surpasser ces limitations par le passage à un mode continu. Pour ce faire, un procédé d’extraction biocompatible des synthons issus de l’opération de fermentation a été mise en œuvre selon différents mode de réalisations. Ce couplage des opérations unitaires, sous forme de fermentation extractive, a livré des résultats prometteurs tout en étant bâtit dans un cadre de bioraffinerie et d’écologie industrielle qui tend vers le « zéro déchet ». Enfin, à l’inverse des autres technologies émergentes, pour se placer dans une approche de drop-in, la biologie et la chimie ont été associées. Le but a été d’illustrer la multipotence des acides gras volatils (AGVs) en termes d’applications industrielles et de réaliser la preuve de concept de la transformation de la biomasse non alimentaire en biomolécules d’intérêt énergétique et chimique. Ces travaux ont permis de soulever les points clés du changement d’échelle du procédé AFYNERIE et d’entrevoir des perspectives tant fondamentales qu’appliquées. Cette brique technologique, de par sa philosophie multi-intrants/multi-produits, couplant fermentation-extraction-synthèse, permet d’initier la transition au stade pilote d’un procédé innovant compatible avec une future économie biosourcée. / Fossil oil reserves are decreasing, oil prices are fluctuating, and the CO 2 released by oil consumption contributes to global warming. These are driving our society towards increased use of biomass for energy, chemical compounds and other materials. Minimizing waste has been seen as a concern associated with alternative energy efforts. Contrary to expectation, increasing organic waste can be beneficial for alternative energy efforts, because it would result in large amounts of organic resources that can be potential raw materials. Moreover, using waste as a resource for bioenergy production does not compete with human or animal food or agricultural surfaces, and that is one of the greatest challenges facing biotechnology. Using waste as a resource for biomolecule production would thus be an interesting approach to reducing waste in the environment and producing renewable materials. Under specific conditions, detrital biomass can be converted into biomolecules of interest by microorganisms. Anaerobic fermentation techniques represent promising engineering processes for accomplishing the dual goals of waste reduction and renewable biomolecule production for biofuel and green chemistry markets. On the other hand, innovative fermentation processes are necessary for the strong, successful, cost-effective and eco-friendly production of bulk chemicals from renewable resources. In this context, AFYREN company was thought and founded to answer this world challenge through its “all in one” technology, AFYNERIE, which is inspired from the nature and sciences. The first objective of this thesis, heart of the AFYNERIE process, was to study the performances of anaerobic microorganisms, in the form of pure strains or of consortia for the valorization of more or less complex substrata via a process of failed methanogenesis. For that purpose, it was necessary to consider, already at the laboratory scale, a projection in the industrial world. Then, we demonstrated the capacities of the microbial diversity to produce platform molecules from real agro-industrial by-products in sterile and then non sterile mode. This study leaned in parallel on the characterization and the dynamics of involved microbial populations. Then, the accumulation of metabolites, which are at the same time inhibitory and of interest, in fermentative media in batch mode and with competitive yields, resulted in the necessity of surpassing these limitations by the passage in a continuous mode. To do this, a process consisted of a biocompatible extraction of synthons stemming from the operation of fermentation was implemented according to different mode of realizations. This coupling of single operations, in the form of extractive fermentation, delivered promising results while builds in a frame of biorefinery and industrial ecology which tightens towards a “zero waste”. Finally, contrary to the other emergent technologies, to take place in a drop-in approach, biology and chemistry were associated. The purpose was to illustrate the versatility of volatile fatty acids (VFAs) in terms of industrial applications and to realize the proof of concept of the transformation of the non-food biomass in biomolecules of energy and chemical interest. These works allowed to underline key points of the scale-up of AFYNERIE process and to glimpse perspectives fundamental as well as applied perspectives. This technological brick, due to its multi-inputs / multi-products philosophy, coupling fermentation-extraction-synthesis, allows to introduce the transition to the pilot stage of an innovative process compatible with a future biobased economy.

Au niveau industriel, l'accès aux acides azélaïque et pélargonique, composés à forte valeur ajoutée, est possible grâce à une réaction d'ozonolyse de l'acide oléïque. Cependant, cette méthode présente certains désavantages sur le plan écologique. Le but de cette étude a donc été de développer une méthode alternative à ce procédé industriel, visant à limiter autant que possible les impacts écologiques, directs ou indirects, lors de la synthèse des acides azélaïque et pélargonique. Nous avons ainsi montré qu'un clivage en deux étapes peut être préférable à un clivage oxydant en une étape. Notre procédé propose ainsi, dans un premier temps, une dihydroxylation de la double liaison d'acides gras par une méthode connue, laquelle est suivie par un clivage oxydant en présence d'hypochlorite de sodium. Ce nouveau procédé mis au point au sein du laboratoire présente l'avantage de ne nécessiter l'emploi ni de métaux de transition, ni de solvant organique. Nous avons par la suite étudié l'hypochlorite de sodium afin de déterminer son rôle et son mode d'action dans la réaction de clivage de diols vicinaux / Industrial production of two high added value compounds called pelargonic acid and azelaic acid is made possible by the ozonolysis reaction of oleic acid. However, this method has numerous disadvantages in term of ecological impact. In this dissertation, we present an alternative to the current industrial process in order to lower direct or indirect negative environmental impacts when synthetizing azelaic and pelargonic acids. At first we demonstrate that a two-step oxidative cleavage may be preferable to a one-step cleavage. Then we present in details a novel synthesis method which starts with the dihydroxylation of the fatty acids double bond using a well known method, followed by the oxidative cleavage in presence of sodium hypochlorite. One notes that this original fabrication process developed in our laboratory does not require to use transition metals nor organic solvents. As a complement to this work, we have subsequently studied the sodium hypochlorite to determine its role and operating mode in the vicinal diols cleavage reaction

L'épilepsie affecte environ 1% de la population. Il s'agit d'une maladie où les crises d'épilepsie surviennent de façon spontanée et imprévue. La prise en charge de ces crises peut se faire par des antiépileptiques, mais dans environ 20 à 30% des cas, les épilepsies ne répondent pas ou peu aux médicaments. Il s'agit alors d'épilepsies pharmacorésistantes. Un des traitements de recours utilisé pour la prise en charge de ces épilepsies est le régime cétogène. Le régime cétogène consiste à apporter une large quantité de lipides, pour une faible quantité de protéines et de glucides. Le régime possède des propriétés anticonvulsivantes, décrites chez l'Homme et le rongeur, mais les mécanismes d'action restent inconnus à ce jour. Plusieurs mécanismes ont été suggérés tels que : les propriétés anticonvulsivantes des corps cétoniques, la modulation de la neurotransmission, la modulation de l'excitabilité cérébrale via la modulation de canaux ioniques tels que les KATP. L'implication des acides gras poly-insaturés (AGPI) a également été suggérée. Ceux-ci pourraient moduler la fluidité membranaire, l'activité des canaux ioniques ou encore les voies de l'inflammation. Notre hypothèse de travail a été d'explorer des voies supposées être impliquées dans les propriétés anticonvulsivantes du régime cétogène. Nous nous sommes intéressés aux AGPI et à l'activation des récepteurs nucléaires PPAR-alpha (peroxisome proliferator-activated receptor alpha) en comparaison au régime cétogène. Nous avons utilisé un modèle murin d'état de mal épileptique (lithium-pilocarpine) et l'induction de crises épileptiques avec mesure du seuil au pentylènetétrazole.<br />Dans un premier temps, nous avons administré per-os, pendant 4 semaines un mélange d'AGPI contenant 70% d'oméga-3 et 25% d'oméga-6 à des rats Wistar. Les animaux ayant reçu la complémentation alimentaire par des AGPI présentaient une augmentation du seuil au PTZ comparable à celle obtenue chez les animaux ayant reçu un régime cétogène. Les animaux supplémentés par les AGPI ou ayant reçu le régime cétogène présentaient des variations plasmatiques en AGPI concernant l'acide arachidonique, l'acide alpha linolénique et l'acide eicosapentaenoïque. Aucune modification du statut nutritionnel ou des phospholipides cérébraux membranaires n'était retrouvée. Dans un second temps, nous avons administré pendant 14 jours de la nourriture contenant 0,2% de fénofibrate (agoniste des récepteurs PPAR-alpha) à des rats Wistar. Le traitement par 0,2% de fénofibrate conduisait à augmenter le seuil au PTZ et retarder le début de l'état de mal épileptique dans le modèle lithium-pilocarpine. Ces résultats étaient comparables à ceux obtenus avec le régime cétogène. En revanche le traitement associant le régime cétogène et le fénofibrate ne conduisait pas à moduler le seuil au PTZ chez les animaux.<br />Ces travaux ont permis de montrer que les AGPI ont des propriétés anticonvulsivantes, comparables à celles du régime cétogène. Ces propriétés anticonvulsivantes ont également été retrouvées suite à l'activation des récepteurs nucléaires PPAR-alpha par le fénofibrate. Les propriétés anticonvulsivantes portées par les AGPI ne sont pas liées à une variation de la composition des membranes cellulaires cérébrales en phospholipides. Les récepteurs nucléaires PPAR-alpha modulent quant à eux de nombreuses voies (métaboliques, inflammatoires, stress oxydant) via des variations d'expression génique et peuvent être activés par les AGPI. L'implication de ces différentes voies dans l'efficacité anticonvulsivante du fénofibrate, reste à explorer. Ces résultats, s'ils sont confirmés par des études complémentaires dans d'autres modèles, laissent penser qu'une simplification du régime cétogène pourrait être envisagée via l'utilisation des AGPI et/ou via l'activation des récepteurs nucléaires PPAR-alpha

La quantité totale de lipides et la composition en acides gras participent au déterminisme de la qualité des produits carnés et jouent un rôle dans de nombreuses pathologies. Par conséquent la maitrise du métabolisme des lipides constitue un important enjeu industriel et de santé publique. De nombreuses données expérimentales et bibliographiques sont actuellement disponibles sur le métabolisme des lipides dans différentes espèces. Néamoins, la hiérarchie d'importance des voies métaboliques et les régulateurs clefs de ce métabolisme dans différentes conditions expérimentales restent mal connus. Cette these propose d'utiliser les outils de la modélisation pour intégrer les données disponibles sur le métabolisme des lipides et des acides gras. Pour cela, deux modèles complémentaires ont été développés : un modèle dynamique simple comprenant le minimum de fonctions biologiques et de régulations nécessaire pour expliquer des données expérimentales métaboliques, et un modèle à large échelle comprenant un maximum d'informations issues des bases de données de connaissances. Le premier est un ensemble d'équations différentielles ordinaires décrivant les principales voies biochimiques du métabolisme des lipides indépendamment de l'espèce, de l'organe et des conditions expérimentales. Ce modèle a été confronté aux données biologiques décrivant les variations des acides gras dans le foie et le tissu adipeux lors de 72 heures de mise à jeun chez des souris de génotype sauvages et knockout pour PPARα (un facteur de transcription responsable notamment de l'activation de l'oxydation des acides gras). Nous mettons ainsi en évidence l'importance de la captation des acides gras sanguins par le foie, de l'oxydation hépatique des acides gras mais aussi et de maniere plus surprenante, des voies de désaturation et élongation des acides gras actives meme chez l'animal a jeun. L'existence d'un régulateur inconnu de l'élongation-désaturation des acides gras autre que PPARα est également suggérée. Le second modèle est un graphe d'influence qui réunit un maximum d'informations bibliogra- phiques pour les croiser avec des données transcriptomiques obtenues à haut débit. L'analyse de trois bases de connaissances bibliographiques (Gardon, une base interne experte ; TRANSPATH et Ingenuity, deux bases commerciales) a permis de mettre en évidence une forte complémenta- rité de la bibliographie extraite et des influences exploitables qu'elles référencent. Suite à cette analyse un graphe d'influence a été construit et l'analyse de sa topologie a permis de mettre en évidence les éléments les plus connectés possédant un lien avec le métabolisme énergétique. Ces deux démarches ont souligné l'intéret de la modélisation pour mettre en exergue des voies connues mais aussi inconnues, et suggérer ainsi de nouvelles expérimentations.

L'adaptation m etabolique aux changements nutritionnels qui surviennent a la naissance est cruciale pour la survie des mammif eres nouveau-n es. C'est particuli erement important chez la souris nouveau-n e en raison d'un apport lact e en glucides tr es r eduit. De nombreuses voies de signalisation et facteurs de transcription permettent l'adaptation postnatale du m etabolisme a ce r egime, Le travail pr esent e dans cette th ese montre que le r ecepteur nucl eaire COUP-TFII (Chicken Ovalbumin Upstream Promoter, Transcription Factor II) joue un r^ole capital dans cette adaptation nutritionnelle. Ainsi, son expression h epatique augmente d es la naissance. Deux facteurs sont impliqu es dans cette augmentation : le glucagon et le r ecepteur nucl eaire PPAR qui contr^ole directement l'expression de COUP-TFII en se liant a son promoteur via un el ement consensus de type DR-1. Pour etudier la fonction de COUP-TFII, deux techniques d'invalidation ad enovirale (invalidation g enique par ARN interf erence et invalidation fonctionnelle utilisant une prot eine dominante n egative), ont et e utilis ees chez le souriceau de 4 jours. L'invalidation h epatique de COUP-TFII provoque une hypoglyc emie et une hypoc eton emie. A ce stade de d eveloppement, la production h epatique de glucose est asur ee par la n eoglucogen ese qui est energ etiquement d ependante de l'oxydation des acides gras qui fournit des coenzymes r eduits (NADH, H+) et de l'ac etyl-CoA n ecessaires au fonctionnement de certaines enzymes de la n eoglucogen ese. En utilisant la technique du crossover plot, nous avons montr e que deux etapes enzymatiques de la n eoglucog en ese sont inhib ees dans le foie des souris invalid ees pour COUP-TFII : la pyruvate carboxylase (d ependante de l'ac etyl-CoA) et la glyc erad ehyde-3-phosphate deshydrog enase (d ependante du NADH, H+). Ces e ets m etaboliques s'accompagnent de diminutions de l'expression de g enes cl es de la n eoglucog en ese (PEPCK, glucose-6-phosphatase) et de la -oxydation mitochondriale des acides gras (CPT-1, mHMG-CoA synthase, FABP-1). Le ph enotype hypoglyc emique et hypoc eton emique est normalis e par une activation pharmacologique de PPAR (un r egulateur majeur des g enes de l'oxydation des acides gras) sugg erant que l'inhibition de la n eoglucogen ese est la principalement la cons equence d'une diminution de l'oxydation des acides gras. Ces travaux font de COUP-TFIII un coordinateur majeur du m etabolisme h epatique postnatal chez la souris.

Les aliments riches en acides gras polyinsaturés (AGPI) à longue chaîne (LC) de la série n-3 sont recommandés pour leurs effets bénéfiques sur la santé humaine et en particulier dans la prevention du développement des maladies métaboliques. Or, la biodisponibilité de ces AGPI et leur impact métabolique pourraient être modulés par la nature chimique des molécules qui les véhiculent dans les aliments (triacylglycérols, TG ou phospholipides, PL). De plus, ces AGPI sont sensibles à la peroxydation lipidique. S'ils ne sont pas protégés de l'oxydation, ils peuvent former des espèces réactives toxiques comme le 4-hydroxy-hexénal (4-HHE). Dans ce contexte, le but de notre étude a été d'évaluer l'impact de l'enrichissement de régimes hyperlipidiques en AGPI n-3 (i) portés par des TG ou des PL et (ii) sous forme non-oxydée ou oxydée, sur l'inflammation et le stress oxydant métaboliques et d'en comprendre certains mécanismes liés à l'absorption intestinale et la réactivité du 4-HHE. D'une part, notre étude a confirmé que la consommation d'AGPI-LC n-3 empêche l'induction du stress oxydant et de l'inflammation lors d'un régime hyperlipidique chez la souris. Cependant, par rapport aux TG, les PL vecteurs d'AGPI n-3 permettent de réduire la taille des adipocytes et de stimuler le système antioxydant. D'autre part, notre étude a montré que la consommation d'AGPI n-3 oxydés de manière modérée aboutit à une élévation des concentrations plasmatiques de 4-HHE et des marqueurs inflammatoires. De plus, une activation des voies inflammatoires ainsi que du stress du réticulum endoplasmique ont été détectées au niveau de l'intestin grêle. Nos résultats in vivo et in vitro sur cellules intestinales Caco-2/TC7 indiquent que cela peut être dû en partie à une absorption au niveau intestinal du 4-HHE, produit d'oxydations des AGPI n-3. Dans le contexte du développement des aliments contenant des AGPI-LC n-3, nos résultats contribuent à identifier les structures vectrices de ces acides gras les plus efficaces du point de vue métabolique. En santé publique et en pratique clinique, nos résultats constituent une nouvelle base de réflexion pour la mise en place de bonnes pratiques de production et de conservation des aliments et des compléments nutritionnels enrichis en AGPI-LC n-3 pour éviter leur oxydation et ses possibles effets délétères.