Le travail présenté s'articule autour de l'étude in silico des réseaux biologiques en abordant aussi bien les aspects d'intégration, de formalisation et de modélisation des réseaux et sous-réseaux biologiques. Dans ce contexte, les travaux ont porté dans un premier temps, sur le développement d'un outil d'intégration Cyclone à même d'assurer un accès et une exploitation simplifiés des données présentes dans la base de données BioCyc puis, dans un second temps, sur le développement d'un cadre de modélisation des graphes particulièrement adapté à l'étude de réseaux d'interactions hétérogènes, MIB (pour Modèle d'Interaction Biologique). Enfin, ces développements ont été mis à profit afin d'une part, de caractériser et d'étudier la présence et le mode de connexion de sous-réseaux ou motifs à l'intérieur de réseaux plus vastes et d'autre part, d'étudier et de modéliser la voie métabolique du galactose chez la levure Saccharomyces cerevisiae en tant que boucle de rétroaction impliquant régulation transcriptionnelle et interaction protéine-protéine.

L'acétate nuit à la croissance de la bactérie E. coli. Malgré les recherches qui tentent d'en d'écrire les raisons, il nous est impossible actuellement de fournir le schéma explicatif complet de ce phénomène. Cette thèse propose de déterminer l'importance des différents mécanismes possibles de l'inhibition de la croissance par l'acétate. Pour cela, nous avons construit une collection de mutants des voies métaboliques de l'acétate que nous avons systématiquement caractérisés avec/sans l'ajout de 128 mM d'acétate au cours de la phase exponentielle de croissance. La voie Pta AckA semble contribuer à 20% à l'inhibition par l'acétate, probablement par l'action de l'acétyle-phosphate sur l'expression des gènes ou la régulation de l'activité enzymatique. Nous montrons que le mécanisme généralement invoqué, l'effet d ́ecouplant de l'acétate, ne joue pas de rôle dans l'inhibition. L'effet majeur est dû à un déséquilibre des anions de la cellule. Nous présentons également deux projets de biologie synthétique : l'un visant à quantifier le mercure dans un échantillon d'eau; et l'autre contrôlant le nombre de cellules vivantes par la lumière au sein d'une population bactérienne. / Acetate inhibits the growth of Escherichia coli on glucose. Despite many studies that have attempted to elucidate the underlying mechanisms, we are currently unable to provide a comprehensive explanation of this phenomenon. Here, we construct a series of isogenic mutants that inactivate specific parts of the metabolic pathways of acetate. By systematically measuring growth rate, as well as the fluxes of carbon metabolites entering and leaving the cell, we are able to propose an explanation for the growth inhibition by acetate. The Pta-AckA pathway contributes about 20% of the growth inhibition by acetate, probably through the action of acetyl-phosphate on gene expression or the regulation of enzyme activities. We also show that acetate does not function as a classical uncoupling agent. This mechanism was commonly assumed to account for the largest part of acetate inhibition. Our data support a model where the imbalance of cellular anions, caused by the massive influx of acetate into the cell, is the major determinant of growth inhibition by acetate. We also present two synthetic biology projects from the iGEM competition: one to quantify mercury in a water sample and the other controlling the number of living cells by light in a bacterial population.

L'acétate nuit à la croissance de la bactérie E. coli. Malgré les recherches qui tentent d'en d'écrire les raisons, il nous est impossible actuellement de fournir le schéma explicatif complet de ce phénomène. Cette thèse propose de déterminer l'importance des différents mécanismes possibles de l'inhibition de la croissance par l'acétate. Pour cela, nous avons construit une collection de mutants des voies métaboliques de l'acétate que nous avons systématiquement caractérisés avec/sans l'ajout de 128 mM d'acétate au cours de la phase exponentielle de croissance. La voie Pta AckA semble contribuer à 20% à l'inhibition par l'acétate, probablement par l'action de l'acétyle-phosphate sur l'expression des gènes ou la régulation de l'activité enzymatique. Nous montrons que le mécanisme généralement invoqué, l'effet d ́ecouplant de l'acétate, ne joue pas de rôle dans l'inhibition. L'effet majeur est dû à un déséquilibre des anions de la cellule. Nous présentons également deux projets de biologie synthétique : l'un visant à quantifier le mercure dans un échantillon d'eau; et l'autre contrôlant le nombre de cellules vivantes par la lumière au sein d'une population bactérienne. / Acetate inhibits the growth of Escherichia coli on glucose. Despite many studies that have attempted to elucidate the underlying mechanisms, we are currently unable to provide a comprehensive explanation of this phenomenon. Here, we construct a series of isogenic mutants that inactivate specific parts of the metabolic pathways of acetate. By systematically measuring growth rate, as well as the fluxes of carbon metabolites entering and leaving the cell, we are able to propose an explanation for the growth inhibition by acetate. The Pta-AckA pathway contributes about 20% of the growth inhibition by acetate, probably through the action of acetyl-phosphate on gene expression or the regulation of enzyme activities. We also show that acetate does not function as a classical uncoupling agent. This mechanism was commonly assumed to account for the largest part of acetate inhibition. Our data support a model where the imbalance of cellular anions, caused by the massive influx of acetate into the cell, is the major determinant of growth inhibition by acetate. We also present two synthetic biology projects from the iGEM competition: one to quantify mercury in a water sample and the other controlling the number of living cells by light in a bacterial population.

La polyprotéine Gag du VIH-1 qui contient quatre principaux domaines (Matrix (MA), capside (CA), nucléocapside (NC), et P6) est l’orchestrateur privilégié de l'assemblage du virus HIV-1, assemblage qui a lieu pendant la phase tardive de la réplication. Il est bien connu que Gag interagit avec les lipides de la membrane plasmique de la cellule hôte et s’auto-assemble sur le feuillet interne de cette dernière afin de générer de nouvelles particules virales. Le bourgeonnement de ces particules virales hors de la cellule hôte est décrit comme étant dépendant de la machinerie cellulaire ESCRT. Différentes études structurales, fonctionnelles ainsi que des simulations de dynamique gros grain ont montré que la liaison de Gag à la membrane est médiée par une interaction duale. Une spécifique de nature éléctrostatique, qui associe une région hautement basique (HBR) du domaine MA de Gag au lipide acide,phosphatidyl inositol biphosphate (PI(4,5)P2) du feuillet interne de la membrane plasmique. Une de type hydrophobe, qui consiste en l’insertion du myristate de Gag dans la membrane plasmique. Savoir si Gag reconnait spécifiquement des domaines lipidiques pré-existants de type « rafts » ou si, au contraire, Gag tri ses lipides et les réorganise latéralement afin d’optimiser sa multimérisation et son bourgeonnement est une question à la fois fondamentale et d’actualité en virologie.Durant ma thèse, j’ai vérifié l’existence de la seconde hypothèse en utilisant des membranes modèles contenant du PI (4,5) P2 marqué de façon fluorescente et différent mutants et produits de la protéine Gag non-myristoylée. Ces expériences ont montré de fortes affinités de ces protéines pour les membranes contenant du PI (4,5) P2. S’appuyant sur les propriétés d’auto-extinction de fluorescence du marqueur choisit et à l’aide des différents variants de la protéine Gag, j'ai pu montré que la multimérisation de Gag génère l’existence de nanodomaines contenant du PI (4, 5) P2 et du cholestérol, la sphingomyéline étant au contraire exclue de ces domaines. En marquant la protéine Gag par un autre fluorophore, j’ai pu montrer par microscopie optique sur des vésicules lipidiques géantes (GUVs) que la protéine Gag partitionnait préférablement dans des microdomaines lipidiques de type liquide désordonnés (Ld). Par la suite, j’ai testé la capacité de la protéine Gag d’induire la formation de vésicules sur des membranes modèles (Bicouches supportés et GUVs) contenant du PI(4,5) P2 et de la phosphatidyl sérine (PS). En utilisant une microbalance à cristal de quartz (QCM-D) et des techniques de microscopie de fluorescence, j’ai suivi l'auto-assemblage de Gag dans le temps et ai montré que la protéine Gag était suffisante pour générer une courbure de la membrane et libérer des vésicules lipidiques. Grâce à différents produits de maturation de cette protéine, j’ai montré que la présence des domaines MA et CA est suffisante pour produire ces vésicules.L’ensemble de ces résultats suggèrent que la liaison et la multimérisation de la protéine Gag ne se produit pas dans des domaines lipidiques préexistants de type « raft », mais, au contraire, que la liaison et multimérisation de la protéine Gag génère l’existence de domaines lipidiques enrichis en PI (4,5) P2 et en cholestérol. La générescence de ces domaines lipidiques pourrait participer à la courbure de la membrane plasmique nécessaire au bourgeonnement du virus. / Gag polyprotein of HIV-1 is made of four main domains Matrix (MA), Capsid (CA), Nucleocapsid (NC), and P6 and is the prime orchestrator of virus assembly that occurs during the late phase of replication. It is well known that Gag interacts with host cell lipids and self-assemble along the inner-leaflet of the plasma membrane in order to generate virus like particles (VLPs). Budding of these VLPs out of the living cell is described to be ESCRT dependent. Structural, functional and simulation based studies has shown that Gag membrane binding is mediated by a bipartite interaction. One specific electrostatic interaction, between the highly basic region (HBR) of its MA domain and the host cell acidic lipid phosphatidyl inositol bisphophate (PI(4,5)P2), plus a hydrophobic interaction through Gag’s myristate insertion in the plasma membrane. It is still an opened question whether Gag would specifically recognize pre-existing lipid domains such as rafts to optimize its multimerization or, on the contrary, would reorganize lipids during its multimerization. During my Ph.D. I explored the second hypothesis using purified myr(-) Gag protein and model membranes containing fluorescently labelled PI(4,5)P2.Bonding experiments have shown strong affinities of these purified proteins towards PI(4,5)P2 containing lipid bilayers. Using PI(4,5)P2 fluorescence self-quenching properties, I found that multimerization Gag generates PI(4,5)P2/Cholesterol enriched nanoclusters. On the opposite, sphingomyelin was excluded from these nanoclusters. In addition to this, using a fluorescently labelled myr(-) Gag, I have observed its preferable partitioning into lipid disordered (Ld) phases of giant unilamellar vesicles (GUVs). Further, possibility of whether HIV-1 Gag alone, as a minimal system, can induce the formation of vesicles on PI(4,5)P2/PS containing supported lipid bilayers (SLBs) & GUVs was tested. Using quartz crystal microbalance (QCM-D) and fluorescence microscopy techniques, I monitored the self-assembly of HIV-1 Gag with time and found that Gag was sufficient to generate membrane curvature and vesicle release. Moreover, using mutants of this protein, I found that having MA and CA domain is enough for Gag to produce vesicle like structures. Taken together, these results suggest that binding and multimerization of Gag protein does not occur in pre-existing lipid domains (such as “rafts”) but this multimerization is more likely to induce PI(4,5)P2/Cholesterol nanoclusters. This nanophase separation could locally play a role in the membrane curvature needed for the budding of the virus.

Le SELEX est une technique d’évolution moléculaire dirigée qui permet, après plusieurs tours de sélection, d’enrichir une banque d’acides nucléiques en séquences capable de se lier de manière spécifique à une cible. Le séquençage est utilisé pour identifier ces séquences que l’on nomme « aptamères ». Depuis l’arrivée récente du séquençage à haut débit (HD), il est possible d’analyser des millions de séquences. L’objectif de la thèse était de développer des méthodes pour traiter et analyser les données de séquençage HD afin de faciliter l’identification des meilleurs aptamères d’un SELEX. Au cours de cette thèse, un test robotisé de liaison sur cellules adhérentes vivantes a été mis au point pour mesurer l’affinité d’aptamères issus de SELEX ciblant des cellules (cell-SELEX). Puis, l’évolution de l’abondance des séquences d’un cell-SELEX a été analysée par séquençage HD. Ceci nous a permis de concevoir une nouvelle approche phylogénétique baptisée FREDROGRAM. Cette approche évolutive a permis d’identifier des mutants avec une meilleure affinité au sein d’une famille d’aptamères issu de ce cell-SELEX. Enfin, le séquençage HD de deux SELEX dirigés contre des protéines a contribué à mieux comprendre l’impact des paramètres de sélection sur la population de séquences et à identifier de nouveaux aptamères, notamment en réduisant le nombre de tours de SELEX. En conclusion, ces travaux montrent l’utilité du séquençage HD pour l’identification des meilleurs aptamères et suggèrent de nouvelles pratiques pour la conduite des SELEX futurs. / SELEX is a directed molecular evolution technic which allows, after several rounds of selection, enriching a library from random nucleic acids to sequences able to bind specifically a target. Sequencing technics are then used to identify these sequences called « aptamers ». Since the arrival of High-Throughput Sequencing (HTS), it is now possible to analyse millions of sequences. The aim of the thesis was to develop methods for the treatment and the analysis of HTS data, in order to facilitate the identification of the best aptamers inside a SELEX. During this thesis, a semi-automatic binding test on adherent living cells has been developed to measure the affinity of aptamers identified in SELEX directed against specific cells (cell-SELEX). Then, the evolution of the sequence enrichment during a cell-SELEX has been analysed by HTS. This analysis gave us the possibility to design a new phylogenetic approch named FREDROGRAM. This evolutive approch allowed to identify variants of an aptamer’s family with a better affinity. Finally, HTS of two SELEX directed against proteins has contributed to a better understanding of the impact of selection parameters on the library and to identified new aptamers, notably by reducing the number of SELEX rounds. To conclude, this work shows the importance of HTS in the identification of the best aptamers and suggests new protocols to monitor the next SELEX in a different manner.

L'adaptation d'une bactérie aux changements de son environnement est contrôlée par un réseau de régulation large et complexe, faisant intervenir de nombreux acteurs et modules différents. Dans ce travail, nous avons étudiés un module de régulation spécifique, contrôlant l'adaptation de la bactérie Escherichia coli à un changement de sources de carbone. Dans un milieu contenant du glucose et de l'acétate, la croissance est divisée en deux phases : les bactéries utilisent préférentiellement le glucose et commencent à métaboliser l'acétate qu'après l'épuisement du glucose. En effet, la présence du glucose réprime la transcription d'un gène nécessaire à la croissance sur acétate, le gène acs (codant pour l'acétyl-CoA synthétase). Le mécanisme régulateur fait intervenir le facteur de transcription Crp-AMPc et le système de transfert de phosphate (PTS), qui permet l'import du glucose. Plusieurs modèles décrivent en détail la cascade de réactions moléculaires à l'origine de cette " répression catabolique ". Cependant, certaines de nos observations expérimentales ne sont pas correctement prédites par les modèles actuels. Ces modèles doivent être révisés ou complétés. L'outil majeur que nous employons pour les expériences est la fusion transcriptionnelle : une région promotrice fusionnée en amont d'un gène rapporteur (GFP, luciferase). Avec ces constructions, nous mesurons la dynamique de l'expression génique dans différentes souches (mutants) et différentes conditions environnementales. Les observations à l'échelle de la population sont corroborées par des mesures similaires à l'échelle de la cellule unique. Nous utilisons cette même technologie pour construire de petits systèmes synthétiques qui sondent davantage le phénomène de répression catabolique. Nous avons ainsi créé un interrupteur génétique dont le fonctionnement est contrôlé par le flux glycolytique et nous avons construit un petit système de communication intercellulaire basé sur la molécule AMPc. Enfin, nous proposons une manière originale de mesurer l'état métabolique des cellules en utilisant la dépendance énergétique de la luciferase.

La biologie synthétique est une science issue du rapprochement entre les biotechnologies et les sciences pour l'ingénieur. Elle consiste à créer de nouveaux systèmes biologiques par une combinaison rationnelle d'éléments biologiques standardisés, découplés de leur contexte naturel. L'environnement, l'agroalimentaire et la santé figurent parmi ses principaux domaines d'application. Cette thèse s'est focalisée sur les aspects liés à la conception ex-vivo de ces biosystèmes artificiels. A partir des analogies réalisées entre les processus biologiques et certaines fonctions électroniques, l'accent a été mis sur la réutilisation et l'adaptation des outils de conception numériques, supportant l'approche de conception " top-down ". Ainsi, une adaptation complète des méthodes de CAO de la microélectronique a été mise en place pour la biologie synthétique. Dans cette optique, les mécanismes biologiques élémentaires ont été modélisés sous plusieurs niveaux d'abstraction, allant de l'abstraction numérique à des modèles flux de signal et des modèles conservatifs. Des modèles en logique floue ont aussi été développés pour faire le lien entre ces niveaux d'abstraction. Ces différents modèles ont été implémentés avec deux langages de description matérielle et ont été validés sur la base de résultats expérimentaux de biosystèmes artificiels parmi les plus avancés. Parallèlement au travail de formalisation des modèles destinés au flot de conception, leur amélioration a aussi été étudiée : la modélisation des interactions entre plusieurs molécules a été rendue plus réaliste et le développement de modèles de bruits biologiques a également été intégré au processus. Cette thèse constitue donc une contribution importante dans la structuration et l'automatisation d'étapes de conception pour les biosystèmes synthétiques. Elle a permis de tracer les contours d'un flot de conception complet, adapté de la microélectronique, et d'en mettre en évidence les intérêts.

Les promesses de la médecine de précision dépendent de nouvelles solutions technologiques pour le diagnostic. Dans l’aire post-génomique, les approches de biologie synthétique pour la médecine apportent de nouvelles façon de sonder, monitorer et interfacer la physiopathologie humaine. Émergeant en tant que champ scientifique mature dont la transition clinique s’accélère, la biologie synthétique peut être utilisée pour appliquer des principes d’ingénierie afin de concevoir et construire des systèmes biologiques comprenant des spécifications cliniques. Une application particulièrement intéressante est de développer des outils diagnostiques polyvalents, programmables et intelligents étroitement interconnectés avec la thérapie. Cette thèse présente de nouveaux concepts et approches d’ingénierie pour concevoir des dispositifs biosynthétiques capable d’interfacer les maladies humaines dans des échantillons cliniques en exploitant du traitement de signal au niveau biomoléculaire, à la lumière d’un besoin croissant en termes de capacités et de robustesse. Cette thèse s’intéresse en premier lieu à l’ingénierie de circuits synthétiques de gènes, reposant sur les portes logiques à integrases, pour intégrer des opérations modulaires et programmables de biodétéction de biomarqueur associées à des algorithmes de décisions au sein de population de bactéries. Elle s’intéresse ensuite à des méthodologies systématiques dites bottom-up, pour programmer des protocellules synthétiques microscopiques, capables d’exécuter des opérations de biodétéction médicale et de biocomputation. Nous décrivons le développement de méthodes simples de fabrications microfluidique associées à des solutions pour implémenter des opérations Booléenne complexes en utilisant de circuits biochimiques synthétiques. Cette contribution s’élargit aussi à la caractérisation de l’espace de conception de protocellules à l’aide d’approches de design assisté par ordinateur, ainsi que à l’analyse de preuves mathématiques et biologiques pour l’utilisation de protocellules comme des dispositifs universels de calcul. L’articulation des principes biologiques fondamentaux avec les implications médicales concernant les dispositifs biosynthétiques développés dans ce travail, a été jusqu’à la validation clinique, et initie de nouveaux modèles pour le développement de diagnostics de nouvelle génération. Ce travail prévoit que la biologie synthétique est en train de préparer le future de la médecine, en supportant et accélérant le développement de diagnostics avec de nouvelles capacités, apportant un progrès biotechnologique direct depuis le laboratoire de biologie clinique jusqu’au patient. / The promise for real precision medicine is contingent on novel technological solutions to diagnosis. In the post-genomic era, synthetic biology approaches to medicine provide new ways to probe, monitor and interface human pathophysiology. Emerging as a mature field increasingly transitioning to the clinics, synthetic biology can be used to apply engineering principles to design and build biological systems with clinical specifications. A particularly tantalizing application is to develop versatile, programmable and intelligent diagnostic devices closely interconnected with therapy. This thesis presents novel engineering concepts and approaches to design synthetic biological devices interfacing human diseases in clinical samples through biomolecular digital signal processing, in light of a need for dramatic improvements in capabilities and robustness. It addresses primarily the engineering of synthetic gene circuits through integrase based digital genetic amplifiers and logic gates, to integrate modular and programmable biosensing of biomarkers and diagnostic decision algorithms into bacteria. It then investigates systematic bottom-up methodologies to program microscale synthetic protocells performing medical biosensing and biocomputing operations. We demonstrate streamlined microfluidic fabrication methods and solutions to implement complex Boolean operation using integrated synthetic biochemical circuits. This contribution also extends to the characterization of protocell design space through novel computer assisted design frameworks, as well as the analysis of mathematical and biological evidence for universal protocellular biocomputing devices. The articulation of biological governing principles and medical implications for the synthetic devices developed in this work was further validated in the clinic, and initiates new models towards next-generation diagnostics. This work envisions that synthetic biology is preparing the future of medicine, supporting and speeding up the development of diagnostics with novel capabilities to bring direct improvement in biotechnologies from the clinical lab to the patient.

En biologie synthétique, il existe plusieurs manières d’adresser les problèmes soulevés dans plusieurs domaines comme la thérapeutique, les biofuels, les biomatériaux ou encore les biocapteurs. Nous avons choisi de nous concentrer sur l’une d’entre elles : les réseaux de régulation génétique (RRG). Un constat peut être fait : la diversité des problèmes résolus grâce aux RRGs est bridée par la complexité de ces RRGs, qui a atteint une limite. Quelles solutions s’offrent aux biologistes, pour repousser cette limite et continuer d’augmenter la complexité de leur système ? Cette thèse a pour but de fournir aux biologistes les outils nécessaires à la conception et à la simulation de RRGs complexes. Un examen de l’état de l’art en la matière nous a mené à adapter les outils de la micro-électronique à la biologie ainsi qu’à créer un algorithme de programmation génétique pour la conception des RRGs. D’une part, nous avons élaboré les modèles Verilog A de différents systèmes biologiques (passe-bande, proie-prédateur, repressilator, XOR) ainsi que de la diffusion spatiotemporelle d’une molécule. Ces modèles fonctionnent très bien avec plusieurs simulateurs électroniques (Spectre et NgSpice). D’autre part, les premières marches vers l’automatisation de la conception de RRGs ont été gravies. En effet, nous avons développé un algorithme capable d’optimiser les paramètres d’un RRG pour remplir un cahier des charges donné. De plus, la programmation génétique a été utilisée pour optimiser non seulement les paramètres d’un RRG mais aussi sa topologie. Ces outils ont su prouver leur utilité en apportant des réponses pertinentes à des problèmes soulevés lors du développement de systèmes biologiques. Ce travail a permis de montrer que notre approche, à savoir adapter les outils de la micro-électronique et utiliser des algorithmes de programmation génétique, est valide dans le contexte de la biologie synthétique. L’assistance que notre environnement de développement fournit au biologiste devrait encourager l’émergence de systèmes plus complexes. / In synthetic biology, Gene Regulatory Networks (GRN) are one of the main ways to create new biological functions to solve problems in various areas (therapeutics, biofuels, biomaterials, biosensing). However, the complexity of the designed networks has reached a limit, thereby restraining the variety of problems they can address. How can biologists overcome this limit and further increase the complexity of their systems? The goal of this thesis is to provide the biologists with tools to assist them in the design and simulation of complex GRNs. To this aim, the current state of the art was examined and it was decided to adapt tools from the micro-electronic field to biology, as well as to create a Genetic Programming algorithm for GRN design. On the one hand, models of diffusion and of other various systems (band-pass, prey-predator, repressilator, XOR) were created and written in Verilog A. They are already implemented and well-functioning on the Spectre solver as well as a free solver, namely NgSpice. On the other hand, the first steps of automatic GRN design were achieved. Indeed, an algorithm able to optimize the parameters of a given GRN according to a specification was developed. Moreover, Genetic Programming was applied to GRN design, allowing the optimization of both the topology and the parameters of a GRN. These tools proved their usefulness for the biologists’ community by efficiently answering relevant biological questions arising in the development of a system. With this work, we were able to show that adapting microelectronics and Genetic Programming tools to biology is doable and useful. By assisting design and simulation, such tools should promote the emergence of more complex systems.

La biologie synthétique est une science issue du rapprochement entre les biotechnologies et les sciences pour l’ingénieur. Elle consiste à créer de nouveaux systèmes biologiques par une combinaison rationnelle d’éléments biologiques standardisés, découplés de leur contexte naturel. L’environnement, l’agroalimentaire et la santé figurent parmi ses principaux domaines d’application. Cette thèse s’est focalisée sur les aspects liés à la conception ex-vivo de ces biosystèmes artificiels. A partir des analogies réalisées entre les processus biologiques et certaines fonctions électroniques, l’accent a été mis sur la réutilisation et l’adaptation des outils de conception numériques, supportant l’approche de conception « top-down ». Ainsi, une adaptation complète des méthodes de CAO de la microélectronique a été mise en place pour la biologie synthétique. Dans cette optique, les mécanismes biologiques élémentaires ont été modélisés sous plusieurs niveaux d’abstraction, allant de l’abstraction numérique à des modèles flux de signal et des modèles conservatifs. Des modèles en logique floue ont aussi été développés pour faire le lien entre ces niveaux d’abstraction. Ces différents modèles ont été implémentés avec deux langages de description matérielle et ont été validés sur la base de résultats expérimentaux de biosystèmes artificiels parmi les plus avancés. Parallèlement au travail de formalisation des modèles destinés au flot de conception, leur amélioration a aussi été étudiée : la modélisation des interactions entre plusieurs molécules a été rendue plus réaliste et le développement de modèles de bruits biologiques a également été intégré au processus. Cette thèse constitue donc une contribution importante dans la structuration et l’automatisation d’étapes de conception pour les biosystèmes synthétiques. Elle a permis de tracer les contours d’un flot de conception complet, adapté de la microélectronique, et d’en mettre en évidence les intérêts. / Synthetic biology is a science derived from the rapprochement between biotechnology and engineering science. It aims to create new biological systems through a rational combination between standardized biological elements which are disconnected from their natural context. Its main areas of application are the environment, the food-processing industry and the health sector. This thesis focuses on the ex vivo design aspects of these artificial biosystems. Thanks to analogies between biological processes and some electronic functions, the emphasis was put on reusing and adapting digital design tools that are fitting the top-down design approach. Thus, microelectronics CAD methods have been completely adapted to synthetic biology. In this regard, basic biological mechanisms have been modelled with various levels of abstraction, from digital abstraction to signal flow and conservative models. Fuzzy logic models have also been developed as a link between these levels of abstraction. These models have been implemented with two hardware description languages. They have been proven correct thanks to experimental results from state-of-the-art artificial biosystems. Concurrently to their formalization, improvements of design flow models have been studied: the modelling of interactions between several molecules have been made more realistic and the development of models for biological noise have been integrated to the process. This thesis is an important contribution to the structuring and the automation of some design steps for synthetic biosystems. It has made possible to highlight and to trace the outlines of a complete design flow, adapted from microelectronics.