Le processus de calcification chez Corallium rubrum conduit à la formation de deux structures squelettiques composées de CaCO3, l’axe squelettique et les sclérites, de taille et de forme différentes. Comme chez de nombreuses espèces calcifiantes, la calcification se fait sous contrôle biologique impliquant notamment des enzymes et des transporteurs ioniques. Une question centrale est d’identifier les mécanismes communs ou propres à chaque espèce qui sous-tendent leur convergence fonctionnelle envers ce processus. Deux approches ont été utilisées pour caractériser ces mécanismes chez C. rubrum: 1) Une approche physiologique avec le développement d’une technique de culture de microcolonies sur lamelles permettant d’observer différents stades de calcification, et de mesurer le pH aux sites de calcification par imagerie confocale ; 2) Une approche moléculaire afin de caractériser une famille d’enzymes, les anhydrases carboniques (ACs), qui jouent un rôle clef dans la calcification.Nous avons réalisé une cartographie du pH en effectuant des mesures dans différents compartiments intra- et extracellulaires. Nos résultats montrent notamment que le pH aux sites de calcification est supérieur à celui du milieu circulant dans les canaux gastrodermiques et non à celui l’eau de mer. Les mesures d’expression différentielle des ACs dans différents tissus mettent en évidence une isozyme préférentiellement exprimée dans les cellules calcifiantes.Ces résultats intégrés dans un contexte de calcification comparée pointent sur la convergence fonctionnelle des ACs et de la régulation du pH par les cellules calcifiantes, tout en soulignant des divergences évolutives. / The calcification process in Corallium rubrum leads to the formation of two skeletal structures made of calcium carbonate, the skeletal axis and sclerites, of different size and shape. As in many calcifying species, calcification occurs under a biological control that involves enzymes and ion transporters. A central issue is to determine the common and the species-specific mechanisms of calcification in order to identify functional convergences in this process. Two approaches were used to characterize these mechanisms in C. rubrum: 1) A physiological approach involving the development of a microcolony culture technique on glass coverslips, allowing the observation of the different stages of calcification, and the measurement of pH at the sites of calcification by the use of confocal microscopy; 2) A molecular approach to characterize an enzyme family, the carbonic anhydrases, which play a key role in calcification.We performed pH mapping by making measurements in different intra- and extracellular compartments. Our results show higher pH values at the sites of calcification compared with the fluid circulating in the gastrodermal canals, but not with the seawater surrounding the microcolony. Measurements of differential expression of carbonic anhydrases in different tissue fractions highlight an isozyme preferentially expressed in the calcifying cells.Within comparative calcification perspectives, these results point towards the functional convergence of carbonic anhydrases and pH regulation by the calcifying cells, while highlighting evolutionary divergences.

Les anhydrases carboniques (AC) sont des enzymes qui catalysent les réactions d'hydratation du CO2 et d'hydrolyse de l’OCS. L’AC présente dans les plantes et les microorganismes du sol influence le bilan atmosphérique d'OCS ainsi que celui du CO18O car les isotopes de l’oxygène sont échangés avec ceux des pools d'eau pendant l'hydratation duCO2. L’utilisation de l’OCS et du CO18O comme traceurs du cycle du C global ouvre une nouvelle voie pour estimer les contributions de la photosynthèse et de la respiration à grande échelle. Ceci requiert néanmoins une meilleure compréhension des facteurs contrôlant l'activité de l’AC des sols. Nous avons étudié le rôle du pH du sol et des communautés microbiennes sur l'activité de l’AC. Nous avons testé l’hypothèse que l'activité de l’AC serait (H1) inhibée dans les sols acides, et que (H2) les échanges isotopiques CO2-H2O seraient réduits dans les sols alcalins. Nous avons également présumé que l'activité de l’AC serait (H3) positivement corrélée à l'abondance des microorganismes phototrophes, et que (H4) la structure des communautés affecterait différemment les flux de CO18O et d’OCS. Nos résultats valident H1 et H2. Ils montrent aussi que les flux de CO2 dans le sol et l'activité d’AC associée sont positivement corrélés à l'abondance des microorganismes phototrophes (H3), tandis que le dépôt d'OCS dans les sols dépend de l'abondance des champignons (H4). Ces résultats sont en cours d’intégration dans un modèle de l'activité de l’AC des sols mondiaux, ce qui permettra une estimation robuste des flux globaux de photosynthèse et de respiration à partir de bilans atmosphériques de COS et CO18O. / Carbonic anhydrases (CA) are a group of enzymes that catalyse CO2 hydration and OCS hydrolysis. The presence of CA in plants and soil microorganisms is responsible for the largest atmosphere-biosphere exchange of OCS but also CO18O, because oxygen isotopes are exchanged with soil and plant water pools during CO2 hydration. Consequently, CO18O and OCS atmospheric mixing ratios have been proposed as complementary tracers of the global C cycle that could open avenues to estimate the contribution of photosynthesis and respiration at global scales. However, a mechanistic understanding of the drivers of CA activity is required. We investigated the role of soil pH and microbial community on soil CA activity. We hypothesised that CA activity should be(H1) inhibited in acidic soils but that (H2) the associated CO2-H2O exchange would also be reduced in alkaline soils. We further assumed that (H3) soil CA activity would be enhanced by an increase in soil phototrophs abundance, but that (H4) soil community structure would affect differently CO18O and OCS fluxes. Our results confirmed H1 and H2. We also confirmed that soil CO2 fluxes and the associated CA activity were positively correlated with phototrophic communities abundance (H3), while soil OCS uptake and the associated CA activity seemed driven by fungal abundance (H4). These findings are now being incorporated into a model of soil CA activity worldwide that will allow robust estimates of photosynthesis and respiration at large scales from the atmospheric budgets of OCS and CO18O.

Une alternative intéressante pour la capture du dioxyde de carbone réside dans l'utilisation de l'anhydrase carbonique pour produire du bicarbonate. Un des goulots d'étranglement du procédé se situe au niveau de la quantité élevée d'enzyme nécessaire. Pour résoudre ce problème, un système d'expression inductible d'anhydrase carbonique humaine de type II utilisant Pichia pastoris (P. pastoris) a été développé, ce qui permettrait éventuellement une production intégrée à moindre coût de l'enzyme. Les cinétiques de croissance et de production du nouveau système d'expression ont été caractérisées par le moyen de cultures en bioréacteur complètement automatisé. Deux constructions ont été sélectionnées et comparées dans cette étude. Une production de l'ordre du gramme d'enzyme par litre, purifiée selon deux étapes simples (clarification et concentration) a été obtenue. Le coût du milligramme de protéine obtenue est estimé à moins d'un dollar.

Le Groupe d'expert Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat (GIEC) dans son rapport de 2005 sur le piégeage et le stockage du CO2 fait une revue exhaustive des procédés de capture démontrés et implémentés industriellement ou en développement. Un procédé novateur ayant suffisamment de potentiel pour justifier des études plus poussées échappe toutefois à cette revue et consiste en l'utilisation d'une enzyme dont la cinétique est extrêmement rapide, l'anhydrase carbonique, comme catalyseur de l'hydratation de CO2. La présente étude propose donc une revue des procédés enzymatiques de capture de CO2 et une caractérisation expérimentale de la capture de CO2 en colonne garnie à contre courant avec de l'anhydrase carbonique immobilisée. La découverte la plus importante résultant de cette étude est que l'utilisation de cette enzyme immobilisée en colonne garnie à contre courant n'est pas une bonne configuration de réacteur due à des réactions compétitives en phase homogène liquide qui limitent la quantité de CO2 accessible à l'enzyme. / In its 2005 report on CO2 capture and storage, the International Panel on Climate Change (IPCC) makes an exhaustive review of capture processes that are demonstrated, industrially implemented or still in development. However, an innovative approach that has sufficient potential to justify detailed investigation escaped the attention of the IPCC. It consists in utilizing an enzyme which kinetics is extremely fast, namely carbonic anhydrase, as a catalyst in C02 hydration. The present study deals with a review of enzymatic CO2 capture processes and an experimental characterization of C02 capture in packed counter current column using immobilized carbonic anhydrase. The principal finding of this study is that the use of immobilized carbonic anhydrase in packed counter current column is not a good reactor configuration because of concurrent homogeneous liquid phase reactions that limit the amount of CO2 accessible to the enzyme.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Le réchauffement climatique est un problème de plus en plus préoccupant pour la communauté scientifique. La plupart des experts affirment qu'une solution temporaire à ce problème consiste à réduire les émissions de CO2. Un moyen efficace permettant de réduire les émissions de CO2 tout en continuant à exploiter les ressources mondiales de pétrole et de charbon est la capture du CO2. La dernière décennie a vue naître une technologie des plus novatrices dans le domaine de la capture du CO2 soit l'utilisation de l'anhydrase carbonique, une enzyme catalysant la réaction d'hydratation du CO2 de façon très efficace (kh » ÎOV1 ). Ce projet de maîtrise présente une étude cinétique de l'hydratation du CO2 en présence de l'anhydrase carbonique humaine de type II (l'hCA II) immobilisée, réalisée à l'aide d'un microréacteur enzymatique. Présentement, l'utilisation de cette enzyme à des fins industrielles est très limitée. Le travail présenté ici est innovateur; à notre connaissance, aucune étude similaire impliquant l'enzyme immobilisée n'est disponible dans la littérature ouverte. Cette étude cinétique contribuera ultérieurement au design d'un réacteur monolithique enzymatique destiné à la capture du CO2. La réalisation de cette étude cinétique a nécessité plusieurs étapes préliminaires : la production de l'enzyme, l'immobilisation de l'enzyme et la caractérisation de l'immobilisation. Les résultats expérimentaux ont démontré que la contribution du biocatalyseur sur la réaction globale d'hydratation du CO2 augmente avec l'augmentation du débit volumétrique et l'augmentation de la concentration initiale en molécules de tampon non protonées, ainsi qu'avec la diminution de la concentration initiale en CO2. Un modèle cinétique de l'hydratation catalytique du CO2 par l'hCA II immobilisée basé sur un mécanisme Quad Quad Iso Ping-pong aléatoire a aussi été développé grâce aux résultats expérimentaux.

Les objectifs de ce travail étaient d’approfondir les connaissances sur les capacités d’adaptation des diatomées à différentes concentrations de CO2 et plus précisément sur l’implication des CCM dans l’assimilation du carbone minéral dissous. Des études sur la physiologie, les enzymes de différentes voies métaboliques et des analyses de transcriptomique et de protéomique ont été réalisées. Nous avons observé que les espèces de diatomées étudiées étaient capables de réguler leurs systèmes de concentration du carbone minéral suivant les conditions environnementales. Certaines semblent utiliser préférentiellement le CO2 ou le bicarbonate tandis que d’autres espèces utilisent les deux. L’activité des anhydrases carbonique est fortement induite en faible concentration de CO2. Nos travaux montrent cependant, que l’activité de cette enzyme est variable d’une espèce à l’autre. Nous avons aussi observé que dans la majorité des diatomées que nous avons étudiées, la photosynthèse de type C3 et non de type C4 est présente, apportant ainsi un éclairage à une véritable controverse sur le métabolisme du carbone chez les diatomées. Nos travaux soulignent de plus, une grande diversité de stratégies de CCM chez les diatomées. Chez T. pseudonana, une nouvelle protéine, LCIP63, a été observée en conditions de faible concentration de CO2. Son rôle physiologique est actuellement inconnu ouvrant de nouvelles perspectives de recherche. / The objectives of this work were to improve the knowledge on ability of diatoms to scope with different CO2 concentrations and to study their carbon concentrating mechanisms (CCM). Studies of their physiology, their metabolic enzymes, and analyses at transcriptomic and proteomic levels were performed. In all studied diatoms, the CCMs can be regulated according to CO2 availability in the environment. Some diatoms seem to use preferentially CO2, others, bicarbonate and some can use both. The carbonic anhydrase (CA) activity is strongly induced when cells were grown at low vs high CO2. However, our work shows that CA activity is highly variable among the different diatoms. Most of the studied diatoms perform a C3 photosynthesis and not C4 photosynthesis. In diatoms, there is a huge diversity in the CCM strategy. A new protein, LCIP63, was observed when T. pseudonana was grown under low CO2. The physiological role of this protein is yet unknown and this finding opens new research perspectives.

Malgré les programmes de dépistage mis en place et le vaste arsenal thérapeutique disponible, 8,2 millions de décès dans le monde ont été attribués au cancer pour l'année 2012 (données Globocan 2012, OMS). L'immunothérapie antitumorale est en plein essor et consiste notamment à exploiter le système immunitaire de l'hôte pour obtenir une réponse contre la tumeur. L'utilisation de vecteurs bactériens, capables de délivrer un message antigénique et de stimuler de manière concomittante l'immunité innée, fait partie des approches de vaccination antitumorale prometteuses. Parmi ces vecteurs, une bactérie Pseudomonas aeruginosa mise au point par notre laboratoire présente l'intérêt de pouvoir injecter in vivo des antigènes de tumeur, via son système de sécrétion de type III (SST3), directement dans le compartiment intracellulaire des cellules présentatrices d'antigènes. La voie de présentation du CMH I est ainsi favorisée et permet la génération d'une réponse des lymphocytes T cytotoxiques vis-à-vis de la tumeur exprimant l'antigène. Cependant, la poursuite des études précliniques et cliniques paraît délicate, en raison du risque infectieux lié à une bactérie pathogène, quand bien même atténuée. Lors de ce travail, nous avons donc développé une nouvelle souche de P. aeruginosa Killed But Metabolically Active (KBMA), incapable de se répliquer, mais toujours apte à jouer son rôle de vecteur. Une analyse de la réponse immune antitumorale, suite à l'immunisation par différents vecteurs, a permis de mettre en évidence une forte infiltration de la tumeur par des lymphocytes T CD8+ spécifiques de l'antigène, mais également une protection à long terme liée à la présence d'un pool majoritaire de lymphocytes T CD8+ spécifiques effecteurs mémoires. Enfin nous avons cherché à appliquer cette technologie à l'antigène de tumeur anhydrase carbonique 9 (AC9), exprimé par de nombreuses tumeurs solides chez l'homme. / Despite cancer screening programs and the available therapeutic armamentarium, 8.2 million deaths worldwide were due to cancer in 2012 (data Globocan 2012, WHO). The antitumor immunotherapy is booming and aims at using the immune system of the host as a response against the tumor. The use of bacterial vectors, able to deliver an antigenic message and concomitantly stimulate innate immunity, is one of the most promising approaches to antitumor vaccination. Among these vectors, the bacterium Pseudomonas aeruginosa developed by our laboratory has the advantage of being able to inject in vivo tumor antigens via its type III secretion system (T3SS) directly in the intracellular compartment of antigen-presenting cells. The MHC I presentation pathway is thus favored and allows the generation of a cytotoxic T lymphocytes response against antigen-expressing tumors. However, further preclinical and clinical studies remain difficult, because of the risk of infection related to a bacterial pathogen, even if attenuated. In this work, we have developed a new strain of P. aeruginosa Killed But Metabolically Active (KBMA) unable to replicate, but still able to play its role as a vector. An analysis of the antitumor immune response following immunization with different vectors, allowed to demonstrate a strong tumor infiltration by antigen-specific CD8+ T lymphocytes, but also a long-term protection related to the presence of a major pool of antigen-specific effector memory CD8+ T cells. Finally we are seeking to apply this technology to the tumor antigen carbonic anhydrase 9 (CA9), expressed by many solid tumors in humans.

Des complexes bio-inspirés de zinc(II) ont été ancrés à la surface des nanopores d’une silice mésoporeuse de type MCM-41 adopté la technique du pochoir moléculaire à motifs périodiques pour assurer l’isolation des sites en utilisant des ions TMA+ comme espaceur pour contrôler le greffage des fonctions triméthylsilyle. L’objectif étant de mimer le doigt de zinc de l’anhydrase carbonique, une enzyme qui catalyse la réaction réversible d’hydratation du dioxyde de carbone en bicarbonate. Des complexes aminés de métaux de transition ont été aussi ancrés par analogie au site métallique de l’anhydrase carbonique avec un contrôle du voisinage moléculaire comparable à celui des matériaux contenant les complexes à base de zinc. L’interaction du CO2 adsorbé avec les sites actifs de ces matériaux a été aussi étudiée. Les matériaux intermédiaires sont caractérisés à chaque étape par un panel de techniques, dont DRX, analyses élémentaires, adsorption-désorption d’N2, FT-IR, 29Si RMN, XPS et RPE qui confirment l’intégrité de la structure poreuse et la formation des complexes. / Bio-inspired diethylenetriamine zinc(II) complexes were anchored into the nanopores of hexagonal mesoporous MCM41-like silicas. A step-by-step approach called “Molecular Stencil Patterning” was adopted to perform an in situ synthesis in order to mimic the zinc finger of the carbonic anhydrase. In the presence of a surface-masking pattern of TMA+ ions, some silanol groups were capped using grafted trimethylsilyl functions. Transition metal complexes have also been anchored in analogy to the metallic site of carbonic anhydrase with a molecular vicinity control comparable to that of materials containing zinc complexes. The interaction of adsorbed CO2 with the active sites of these materials has also been studied. The materials were characterized with a panel of techniques including XRD, elemental analysis, N2-adsorption-desorption, FT-IR, 29Si NMR, XPS and EPR that confirm the integrity of the porous structure and the complexes formation.

Agelanthus dodoneifolius est une plante de la pharmacopée africaine utilisée en médecine traditionnelle pour le traitement de pathologies cardiovasculaires. Un fractionnement bioguidé a permis d'isoler une nouvelle dihydropyranone : baptisée Dodonéine (Ddn), elle possède des propriétés hypotensives et vasorelaxantes chez le rat.L'objectif de la thèse est de caractériser la ou les cible(s) moléculaire(s) de la Ddn dans le système cardiovasculaire et d'identifier un dérivé plus sélectif.Nos résultats montrent que la Ddn bloque le courant calcique de type L des cardiomyocytes ventriculaires de rat et des cellules musculaires lisses vasculaires, d'environ 30% avec une IC50 de l'ordre du µM. La Ddn apparaît comme un nouveau bloqueur des canaux calciques de type L avec des propriétés électrophysiologiques qui lui sont propres. Une étude biochimique a montré que l'anhydrase carbonique (CA) est également inhibée par la Ddn, et nous avons caractérisé l'expression de plusieurs isoformes au sein de muscle lisse vasculaire : CA II, III, XIII et XIV. Nos travaux précisent que leur inhibition augmente le pH intracellulaire, pouvant conduire à l'activation des canaux KCa. Ainsi, la Ddn induit un effet vasorelaxant en inhibant deux protéines: les canaux calciques et l'anhydrase carbonique. Nous avons ensuite démontré que les dérivés de la Ddn nouvellement synthétisés sont aussi vasorelaxants ; toutefois, le plus efficace, la Ddn-Bicyclique-OH, ne concurrence pas les bloqueurs calciques utilisés en clinique. Cependant, l'effet vasorelaxant de la Ddn et Ddn-Bc-OH caractérisé sur des artères systémiques humaines est en accord avec l'utilisation de la plante en médecine traditionnelle. / Agelanthus dodoneifolius is one of the medicinal plants used in African pharmacopeia and traditional medicine for the treatment of cardiovascular diseases. Bioguided fractionation has allowed isolating one of its main active principles named Dodoneine (Ddn). It is a new dihydropyranone which exerts hypotensive and vasorelaxant effects on rat.The aim of this work is to characterize the molecular(s) target(s) of Ddn on cardiovascular system and identify the most selective and effective Ddn's derivative.Electrophysiological studies revealed that Ddn blocks L-type calcium current density of about 30% with an IC50 value of about 2 µM on cardiac myocytes and on vascular smooth muscle cells. Ddn appears as a new natural calcium channel blocker which has its own electrophysiological properties. As it has been shown, by biochemical study, that carbonic anhydrase is a potential target for Ddn, we have demonstrated that isozymes II, III, XIII are present on vascular smooth muscle cells and inhibited by Ddn. This inhibition resulted in a rise in pHi of about 0.31, leading to KCa channel activation. Interestingly, Ddn induced vasorelaxation by targeting two proteins: calcium channel and carbonic anhydrase. Then, we demonstrated that Ddn's derivatives newly synthetized have also vasorelaxant properties via the inhibition of L-type calcium current. Among them, Ddn-Bicyclique-OH is the most effective but appears not to be a better pharmacological tool compared to the calcium channel blockers already use in clinical. However, in accordance to the use of the plant in traditional medicine, our results clearly show that Ddn and Ddn-Bc-OH induce a vasorelaxant effect on human systemic artery.

Un grand nombre de 3,4-bisindolylmaléimides possède une activité inhibitrice des protéine-kinases. Les 3-isothiazolone-1,(1)-(di)oxydes pouvant être considérées comme des analogues de la maléimide, la fonctionalisation des 5-chloro- et 4,5-dichloro-3-isothiazolone 1,(1)-(di)oxydes par des réactions de couplage palladocatalysé de Suzuki-Miyaura, permet d'accéder aux analogues “thia” des 3,4-bisindolylmaléimides. La synthèse de sulfonamides primaires tels que les dérivés 4-(hétéro)aryl substitués du benzènesulfonamide comme inhibiteurs potentiels de l'anhydrase carbonique, a également été envisagée dans ce travail.Une collection de matériaux hybrides constitués de nanoparticules de palladium adsorbées sur des nanostructures de carbone a été préparée et testée dans des réactions de couplages palladocatalysés, comme catalyseurs en milieu hétérogène. Le plus efficace d'entre eux, associant des nanoparticules de palladium stabilisées par le dodécanethiol et adsorbées sur des nanotubes de carbones “multi-walled”, a été employé afin de préparer vingt-quatre nouveaux dérivés 4-(hétéro)aryl substitués du benzènesulfonamide. L'échec de l'utilisation de ce catalyseur dans les reactions de fonctionalisation des isothiazolone-1,(1)-(di)oxydes nous a contraints à employer un catalyseur plus conventionnel, le PdCl2(dppf)•CH2Cl2.Le dernier volet de ce projet visait à concevoir des catalyseurs à base de nanoparticules de palladium encapsulées dans des nanofibres de carbone “grafitisées” (nanoréacteurs). Une série de nanoréacteurs a pu être préparée et nous avons étudié l'effet du confinement généré à l'intérieur de la nanofibre, sur la réaction palladocatalysée de Suzuki-Miyaura. / 3,4-bisindolylmaleimides possess an inhibitory activity against protein kinase. Because 3-isothiazolone-1,(1)-(di)oxide can be considered as maleimide analog, 5-chloro and 4,5-dichloro-3-isothiazolone-1,(1)-(di)oxide were functionalised using a palladium-catalysed Suzuki-Miyaura cross-coupling reaction achieving the “thia” analogs of 3,4-bisindolylmaleimides. We were also interested in the preparation primary sulfonamides such as 4-(hetero)aryl substituted benzenesulfonamides as carbonic anhydrases inhibitors.A series of hybrid materials comprising palladium nanoparticles adsorbed on carbon nanostructures has been prepared and tested as heterogeneous catalysts of palladium-mediated cross-coupling reactions. The best catalyst, resulting in palladium nanoparticles stabilised by dodecanethiol adsorbed on multi-walled carbon nanotubes, was employed in Suzuki-Miyaura reactions for the preparation of twenty-four new 4-(hetero)aryl substituted benzenesulfonamides. As this catalyst failed in the functionalisation of isothiazolone-1,(1)-(di)oxides, this latter was realised using a more conventional catalyst, PdCl2(dppf)•CH2Cl2.A last part of the project aimed to the conception of catalysts made of palladium nanoparticles encapsulated in graphitised carbon nanofibres (nanoreactors). We prepared a series of nanoreactors and we studied the effect of the confinement inside the nanofibre channel on the Suzuki-Miyaura cross-coupling reaction.