Les micropolluants d'origine pharmaceutique tels que les antibiotiques, les hormones, les anti-inflammatoires ou les médicaments anticancéreux sont généralement réfractaires aux procédés classiques de traitement des eaux et leur rejet dans l'environnement même à l'état de traces (< µg/L) pose de réels problèmes environnementaux et de santé publique. Le traitement de ces effluents par voie enzymatique semble être une alternative intéressante et ce d'autant plus si le biocatalyseur est immobilisé directement à la surface d'une membrane afin d'améliorer sa stabilité et permettre sa réutilisation. Le travail à réaliser dans le cadre de cette thèse vise la conception et l'optimisation de bioréacteurs destinés à la dégradation de micropolluants ciblés. Réalisé dans le cadre d'un contrat Européen (ENDETECH), ce travail est une collaboration avec d'autres équipes de recherche européennes en charge de sélectionner les biocatalyseurs et de mettre au point les méthodes analytiques de détection et de caractérisation des produits de la réaction. / Pharmaceutical micropollutants such as antibiotics, hormones, anti-inflammatory or anti-cancer drugs are usually reluctant to conventional wastewater treatment processes and their disposal in the environment, even at low concentrations (< µg/L) may have an impact on human health. The enzymatic treatment of these effluents seems a promising alternative if the biocatalyst is immobilized on a membrane to enhance its stability and to enable its reuse. This thesis work aims at designing and optimizing bioreactors for micropollutants degradation. It is a collaboration (ENDETECH project) with other European research teams in charge of selecting the biocatalysts and developing analytical methods for the detection and characterization of transformation products.

As técnicas espectroscópicas utilizam a interação entre luz e matéria como forma de obter informações das características moleculares de um sistema. Os diversos níveis de energia manifestam-se em bandas espectrais que ao serem interpretadas fornecem características sobre estrutura, orientação e interações a nível molecular. O presente trabalho explorou as diversas facetas espectroscópicas, aliadas a técnicas biofísicas/bioquímicas, no intuito de compreender melhor dois tipos de biomoléculas importantes para a maquinaria dos seres vivos: proteínas e peptídeos. O citocromo P450 é uma enzima do tipo monooxigenase e constitui uma das maiores superfamílias de proteínas. Essa hemoproteína foi assim nomeada devido à sua característica absorção na região da Banda de Soret (450 nm), sendo esta uma particularidade natural muito utilizada em estudos por espectroscopia. Além disso, existe interesse de estudar esta família de proteínas em virtude de suas variadas funções metabólicas e biossintéticas, nos mais diversos organismos, como catalisação de esteróides, ácidos graxos, fármacos, carcinógenos químicos e metabólitos de plantas. Em especial, para a P450 de Streptomyces clavuligerus (P450CLA), ainda não se sabe ao certo como e com quais moléculas interage, e como funciona o mecanismo utilizado pela proteína para atuar em vias de síntese como a do ácido clavulânico, importante composto terapêutico. Paralelo ao paradigma de interação de uma proteína e potenciais ligantes, o entendimento dos mecanismos de interação entre peptídeos e membranas lipídicas também são de suma importância para uma melhor compreensão dos sistemas biomoleculares. Peptídeos ativos na membrana desempenham funções fundamentais no sistema de defesa de diversos organismos e decifrar os mecanismos de como essas biomoléculas agem quando inseridas em bicamadas lipídicas pode auxiliar, por exemplo, no desenvolvimento de terapias seguras e eficientes contra doenças degenerativas. Desta forma, aproveitamos as características espectroscópicas naturais de ambas as moléculas para serem empregadas em técnicas de absorção UV/vis, Dicroísmo Circular Eletrônico e Magnético, Ressonância Paramagnética Eletrônica e Ressonância Magnética Nuclear, auxiliados por técnicas termodinâmicas e de fluorescência, de modo a explorar a interação da luz com a matéria, sem interferências de sondas externas, dando enfoque às alterações de estrutura e orientação, nas mais variadas formas de interação entre moléculas de sistemas biológicos. / Spectroscopic techniques use the interaction between light and matter as a way for obtaining information about molecular characteristics of a system. The many energy levels manifest themselves in spectral bands, which when are interpreted, it provides characteristics about structure, orientation and interactions at the molecular level. The present study explored the various spectroscopic facets, allied to biophysical/biochemical techniques, in order to understand better two important biomolecules types for living beings machinery: proteins and peptides. Cytochrome P450 is a monooxygenase-like enzyme and it belongs to one of the largest proteins superfamilies. The hemoprotein received this name due its unique spectral absorption in Soret Band region (450 nm), a natural particularity widely used in spectroscopic studies. In addition, there is interest in studying this protein family by virtue of their several metabolic and biosynthetic functions in the most diverse organisms, such as steroids, fatty acids, drugs, chemical carcinogens and plant metabolites. In particular, regarding P450 from Streptomyces clavuligerus (P450CLA), it is still unclear how and which molecules it interacts with, and how the mechanism used by the protein to act in synthesis pathways such as clavulanic acid, an important therapeutic compound. Parallel to the interaction paradigm between proteins and potential ligands, the interaction mechanisms understanding between peptides and lipid membranes are also of paramount importance for a better understanding of the biomolecular systems. Active membrane peptides play key roles in the defense system of various organisms and to decipher the mechanisms how these biomolecules act when inserted into lipid bilayers, for example in the development of safe and efficient therapies against degenerative diseases. This way, we take advantage of the natural spectroscopic characteristics of both molecules to be used in UV/vis absorption techniques, Electronic and Magnetic Circular Dichroism, Electronic Paramagnetic Resonance and Nuclear Magnetic Resonance, aided by thermodynamic and fluorescence techniques, in order to explore the interaction of light with matter, without interference from external probes, focusing on changes in structure and orientation, in the most varied forms of interaction between biological systems molecules.

As técnicas espectroscópicas utilizam a interação entre luz e matéria como forma de obter informações das características moleculares de um sistema. Os diversos níveis de energia manifestam-se em bandas espectrais que ao serem interpretadas fornecem características sobre estrutura, orientação e interações a nível molecular. O presente trabalho explorou as diversas facetas espectroscópicas, aliadas a técnicas biofísicas/bioquímicas, no intuito de compreender melhor dois tipos de biomoléculas importantes para a maquinaria dos seres vivos: proteínas e peptídeos. O citocromo P450 é uma enzima do tipo monooxigenase e constitui uma das maiores superfamílias de proteínas. Essa hemoproteína foi assim nomeada devido à sua característica absorção na região da Banda de Soret (450 nm), sendo esta uma particularidade natural muito utilizada em estudos por espectroscopia. Além disso, existe interesse de estudar esta família de proteínas em virtude de suas variadas funções metabólicas e biossintéticas, nos mais diversos organismos, como catalisação de esteróides, ácidos graxos, fármacos, carcinógenos químicos e metabólitos de plantas. Em especial, para a P450 de Streptomyces clavuligerus (P450CLA), ainda não se sabe ao certo como e com quais moléculas interage, e como funciona o mecanismo utilizado pela proteína para atuar em vias de síntese como a do ácido clavulânico, importante composto terapêutico. Paralelo ao paradigma de interação de uma proteína e potenciais ligantes, o entendimento dos mecanismos de interação entre peptídeos e membranas lipídicas também são de suma importância para uma melhor compreensão dos sistemas biomoleculares. Peptídeos ativos na membrana desempenham funções fundamentais no sistema de defesa de diversos organismos e decifrar os mecanismos de como essas biomoléculas agem quando inseridas em bicamadas lipídicas pode auxiliar, por exemplo, no desenvolvimento de terapias seguras e eficientes contra doenças degenerativas. Desta forma, aproveitamos as características espectroscópicas naturais de ambas as moléculas para serem empregadas em técnicas de absorção UV/vis, Dicroísmo Circular Eletrônico e Magnético, Ressonância Paramagnética Eletrônica e Ressonância Magnética Nuclear, auxiliados por técnicas termodinâmicas e de fluorescência, de modo a explorar a interação da luz com a matéria, sem interferências de sondas externas, dando enfoque às alterações de estrutura e orientação, nas mais variadas formas de interação entre moléculas de sistemas biológicos. / Spectroscopic techniques use the interaction between light and matter as a way for obtaining information about molecular characteristics of a system. The many energy levels manifest themselves in spectral bands, which when are interpreted, it provides characteristics about structure, orientation and interactions at the molecular level. The present study explored the various spectroscopic facets, allied to biophysical/biochemical techniques, in order to understand better two important biomolecules types for living beings machinery: proteins and peptides. Cytochrome P450 is a monooxygenase-like enzyme and it belongs to one of the largest proteins superfamilies. The hemoprotein received this name due its unique spectral absorption in Soret Band region (450 nm), a natural particularity widely used in spectroscopic studies. In addition, there is interest in studying this protein family by virtue of their several metabolic and biosynthetic functions in the most diverse organisms, such as steroids, fatty acids, drugs, chemical carcinogens and plant metabolites. In particular, regarding P450 from Streptomyces clavuligerus (P450CLA), it is still unclear how and which molecules it interacts with, and how the mechanism used by the protein to act in synthesis pathways such as clavulanic acid, an important therapeutic compound. Parallel to the interaction paradigm between proteins and potential ligands, the interaction mechanisms understanding between peptides and lipid membranes are also of paramount importance for a better understanding of the biomolecular systems. Active membrane peptides play key roles in the defense system of various organisms and to decipher the mechanisms how these biomolecules act when inserted into lipid bilayers, for example in the development of safe and efficient therapies against degenerative diseases. This way, we take advantage of the natural spectroscopic characteristics of both molecules to be used in UV/vis absorption techniques, Electronic and Magnetic Circular Dichroism, Electronic Paramagnetic Resonance and Nuclear Magnetic Resonance, aided by thermodynamic and fluorescence techniques, in order to explore the interaction of light with matter, without interference from external probes, focusing on changes in structure and orientation, in the most varied forms of interaction between biological systems molecules.