La thérapie génique et l'interférence par l'ARN sont des méthodes pleines de promesses pour le traitement de nombreux troubles génétiques et infections virales, mais ce sont aussi des outils polyvalents pour l'étude des mécanismes génétiques et épigénétiques à la base du bon fonctionnement ou dysfonctionnement des cellules et des organismes complexes. Toutefois, la délivrance intracellulaire d'acides nucléiques reste un obstacle majeur pour la mise en œuvre de ces thérapies. En dépit des progrès récents dans le domaine, il existe un nombre limité d'agents de transfection non viraux qui ont passé à la phase clinique de la mise au point de médicaments. Un agent de transfection efficace forme un complexe (généralement non-covalent) avec des acides nucléiques, qui est stable dans l'environnement extracellulaire, en particulier dans le plasma sanguin. En outre, il doit favoriser la délivrance cellulaire en interagissant avec la membrane plasmique ou avec des glycosaminoglycanes chargés négativement et induire l'absorption par endocytose du complexe de transfection. Enfin, l’agent de transfection devrait améliorer l'échappement de l'endosome et le dépaquetage des acides nucléiques à partir du complexe. Les peptides amphiphiles et cationiques, qui ont la capacité de pénétrer dans les cellules, possèdent toutes les caractéristiques ci-dessus nommées. En effet, ils s’associent aux acides nucléiques via des liaisons électrostatiques, ils se lient de manière efficace et traversent la membrane plasmique en favorisant l'absorption de la cargaison. LAH4-L1 est le peptide de la famille LAH4 riche en lysines et histidines, possédant une activité de transfection d’ADN et de pARNi prometteuse. Ce qui a été montré dans des expériences biologiques sur des cellules en culture. Le peptide LAH4-L1 présente des modes d'interaction différents avec les membranes à pH neutre et acide, ce qui est l'une des caractéristiques les plus importantes puisqu’elle assure une libération efficace des acides nucléiques dans le cytoplasme. Ce travail est dédié à l'étude des caractéristiques structurales et thermodynamiques de l'association LAH4-L1 avec des membranes modèles et des acides nucléiques, comme l'ADN générique et de pARNi. Une grande variété de techniques biophysiques, telles que la résonance magnétique nucléaire, le dichroïsme circulaire, la calorimétrie de titration isotherme, la diffusion dynamique de la lumière et le dosage d'efflux de la calcéine, a été utilisée pour élucider le mécanisme de la transfection cellulaire efficace par le peptide LAH4-L1. / Gene and RNA-based therapies have a great promise as the methods for the treatment of variety of the genetic disorders and viral infections, but also it is a versatile tool for the investigation of the genetic and epigenetic mechanisms underlying the proper functioning or dysfunctioning of the cells and complex organisms. However, intracellular delivery of nucleic acids remains a major hurdle for the implementation of these therapies. In spite of the recent progress in the field, there is limited number of the non-viral transfection agents that passed to the clinical phase of the drug development.An efficient transfection agent forms a complex (usually non-covalent) with nucleic acids, which is stable in the extracellular environment, in particular in the blood plasma. Furthermore, it should promote the cellular delivery by interacting with the plasma membrane or negatively charged glycosaminoglycans and inducing the endocytic uptake of the transfection complex. Finally transfection agent should enhance the endosomal escape and unpacking of the nucleic acids from the complex.Cationic amphipathic cell-penetrating peptide comprise all above-named features as they associate electrostatically with the nucleic acids, they bind efficiently and translocate plasma membrane promoting the cargo uptake. LAH4-L1 is the lysine and histidine-rich designed peptide from LAH4 family, possessing a promising DNA and siRNA transfection activity, which was shown in biological experiments on the cell culture. LAH4-L1 peptide displays different modes of interaction with the membranes at neutral and acidic pH, which is one of the most important features that assure an efficient nucleic acid release to the cytoplasm.This works is dedicated to the investigation of structural and thermodynamic characteristics of the LAH4-L1 association with model membranes and nucleic acids, such as generic DNA and siRNA. The variety of the biophysical techniques, as nuclear magnetic resonance, circular dichroism, isothermal titration calorimetry, dynamic light scattering and calcein efflux assay, were used to unravel the mechanism of efficient cellular transfection by LAH4-L1 peptide.

Intégrer les connaissances sur la connectivité écologique dans la gestion des écosystèmes marins est essentiel, surtout dans un contexte d'appauvrissement des ressources marines et de dégradation des habitats côtiers à l'échelle mondiale. Des outils environnementaux, tels que les Aires Marines Protégées ont été mises en œuvre pour protéger la biodiversité, restaurer les écosystèmes endommagés, soutenir les pêcheries et reconstituer les stocks surexploités. Leur efficacité dépend en partie du maintien de la connectivité entre les populations marines, assurée à travers divers processus écologiques dont la dispersion larvaire. Dans le cadre de ce travail de thèse, un modèle biophysique intégrant des données de courants, issues de mesures d'altimétrie par satellite, a été utilisé pour évaluer la connectivité entre les récifs de l'océan Indien d'une part, et à travers le réseau d'AMP de Méditerranée d'autre part. Différentes méthodes d'analyse ont été utilisées, telles que la théorie des graphes et le clustering. Dans l'océan Indien occidental, l'analyse des connectivités marines montre que le nombre de connexions entre les récifs augmente avec la durée de vie larvaire des poissons. Elle met également en évidence une faible connectivité à l'échelle de la région, mais une forte inter-connectivité au sein de plusieurs sous-régions (Canal du Mozambique, Mascareignes). En Méditerranée, la connectance est globalement faible à l'échelle régionale, bien que plus importante dans le bassin occidental que le bassin oriental. L'analyse des connectivités marines montre également un taux de connectivité élevé à l'échelle d'un même pays. Selon le cas d'étude, une liste de récifs ou de sites prioritaires dans la mise en œuvre des AMP a été proposée. Enfin, les implications de ces résultats en termes de politiques transfrontalières et de coopération régionale sont discutées. / Integrating ecological connectivity into marine ecosystem management and planning is important, especially in a global context of severe fish stocks depletion and growing habitat degradation. Environmental tools such as Marine Protected Areas have been proposed to protect biodiversity, restore damaged ecosystems, sustain fisheries, and rebuild overexploited stocks. The effectiveness of marine protected areas depends in part on the maintenance of connectivity between marine populations, linked by ecological processes such as larval dispersal. In this thesis, we applied a biophysical model driven by ocean currents derived from satellite altimetry to evaluate connectivity between Western Indian Ocean reefs and across the current MPA system in the Mediterranean Sea. We applied different methods of analysis such as graph-theoretic and clustering. In the Western Indian Ocean, marine connectivity analyses show that the number of connections between reefs increases with fish pelagic larval duration. It also highlights a low connectivity across the region and a high interconnectivity within several regions (Mozambique Channel, Mascarene archipelago). In the Mediterranean Sea, connectance is globally low at the regional scale. This connectance is more important in Western than Eastern Mediterranean. Moreover, the marine connectivity analyses revealed high domestic connectivity rates. Depending on the study area, priority reefs or sites for MPA implementation are proposed. Finally, implications for transboundary marine policies and regional cooperation are discussed.

PhD (Microbiology) / Department of Microbiology / High genetic diversity is a major contributory factor in the development of drug resistance, in addition to challenges in diagnosis and treatment monitoring in the therapeutics of human immunodeficiency virus (HIV) .Within the wide HIV-1 diversity, differences in mutational frequency, disease progression, drug response and transmission amongst HIV-1 subtypes have been shown. In spite HIV-1 subtype C (HIV-1C) being the most prevalent variant globally, none of the available drugs nor screening assays for inhibitory molecules have been developed targeting the genetics of this important subtype. This study therefore aimed to overexpress and biophysically characterize HIV-1C reverse transcriptase and protease to serve as reagents in the development of assays for routine screening of molecules inhibitory to HIV-1C. Heterologous expression of HIV-1C reverse transcriptase and protease isolates that are prevalent in South Africa was carried out in Escherichia coli (E. coli (BL21-DE3). The secondary and tertiary structures of the proteins were determined using, circular dichroism (CD) and fluorescence spectroscopy respectively. Thereafter, interaction studies to delineate interaction properties of natural products for possible inhibition of protease were conducted. Furthermore, in silico studies to determine binding interactions, further confirmed by in vitro binding assays of a pepsin inhibitor homolog (Bm-33) from Brugia malayi , against protease were also conducted. Expressed reverse transcriptase and protease from the globally prevalent HIV-1C were shown to be structurally and functionally intact for application in downstream HIV-1 inhibition assays. Interaction studies on the other hand revealed successful inhibition of the expressed HIV-1C PR with gallotanin. Furthermore, binding interactions of Bm-33 and HIV-1 PR revealed the first intermolecular interactions of the two molecules displaying possible inhibition of HIV-1 PR / NRF

L'utilisation du LiDAR en télédétection permet une description précise de l'architecture du couvert végétal. L'objet de cette thèse est le développement des approches d'inversion de mesures LiDAR à l'aide d'une modélisation physique et statistique du signal dans le but d'estimer des propriétés biophysiques de cultures dominantes (blé, maïs) du Sud-Ouest de la France et d'un couvert forestier en Chine. Le travail a tout d'abord porté sur l'estimation du LAI et la hauteur des cultures par inversion de formes d'onde LiDAR à faible empreinte. Une base de données de simulations de formes d'onde réalistes des cultures est réalisée à l'aide du modèle de transfert radiatif (MTR) DART. L'inversion consiste à utiliser la technique de table de correspondance qui consiste à chercher la simulation la plus proche de l'observation réelle. Le travail a ensuite porté sur l'estimation du profil de LAI des arbres de la forêt. Une approche variationnelle d'estimation du profil de LAI par inversion de formes d'ondes est proposée. Elle repose sur un MTR simplifié et une technique de lissage du profil de LAI s'appuyant sur les chaines de Markov. La formulation bayésienne du problème, nous amène à une fonction de coût non-linéaire. Elle est minimisée à l'aide d'une nouvelle technique de gradient multi-échelle. Les approches développées montrent bien leurs performances en les appliquant sur des données réelles de cultures (maïs et blé) et de milieu forestier. / The use of LiDAR in remote sensing allows a precise description of the vegetation cover architecture. The aim of this thesis is the development of LiDAR data inversion approaches using physical and statistical signal modeling in order to estimate the biophysical properties of dominant crops (wheat, maize) of the South-West of France and a forest cover in China. The work firstly focused on estimating LAI and crop height by small footprint LiDAR waveforms inversion. A realistic crop waveform simulations database is performed using the Radiative Transfer Model (MTR) DART. The inversion consists in using the Look up Table technique which consists of looking for the closest simulation to the actual observation. The second inversion approach focused on LAI profile estimation of the forest trees. A variational approach to estimate LAI by waveform inversion is proposed. It relies on a simplified MTR and LAI profile smoothing technique based on Markov chains. The Bayesian formulation of the problem leads us to a non-linear cost function. It is minimized using a new multi-scale gradient technique. The developed approaches show clearly their performance by applying them to real crop data (corn and wheat) and forest.

Monoclonal antibody MEM-57 recognizes CD3 antigen expressed on peripheral blood T-lymphocytes. CD3 surface glycoprotein complex associates with T-cell receptor and is responsible for the transduction of activation signal. Antibody MEM-57 has, therefore, a large diagnostic and therapeutic potential. It could be used in autoimmune diseases diagnostics, for classification of T-cell leukemias and, as an immunosuppressant, in transplantation. The most promising therapeutic use of MEM-57 antibody would be the construction of a "Bispecific T-cell Engager" (BiTE) antibody format with potential application in cancer therapy. In this format, single-chain variable fragment (scFv) of MEM-57 would be fused with an anti-tumor antigen scFv. The thesis is focused on biochemical and biophysical characterization of MEM-57 antibody scFv fragment. Recombinant antibody fragment scFv MEM-57, equipped with the pelB leader sequence, c-myc tag and His5 tag, was produced from a pET22b(+) vector into the periplasmic space of E. coli BL21 (DE3). Two-step purification protocol, employing nickel chelation affinity chromatography and ion-exchange chromatography, was developed to obtain high yield of pure protein. The antigen binding activity of scFv MEM-57 was confirmed by flow cytometry. Structural information on scFv MEM-57...

<div>Artificial Intelligence (AI) plays an increasingly pivotal role in drug discovery. In particular, artificial neural networks such as deep neural networks drive this area of research. The research presented in this thesis is considered a synergistic combination of physicochemical models of protein-ligand interactions such as molecular dynamics simulation, novel machine learning concepts and the use of big data for solving fundamental problems in Structure-Based Drug Design (SBDD). This area of research involves the use of three-dimensional (3D) structural data of biomolecules to assist lead discovery and optimization in a time- and cost-efficient manner. </div><div>The main focus of the thesis research is the development of models, algorithms and methods to facilitate binding-mode elucidation, affinity prediction for congeneric series of molecules and flexible docking. </div><div><br></div><div>For pose-prediction, we developed a Convolutional Neural Network model incorporating hydration information, named DeepWatsite, which displays accurate binding-mode prediction and the capability to highlight different roles of water molecules in protein-ligand binding. In order to train the neural network model, we created a comprehensive database for hydration information of thousands of protein systems. This was made possible through the development of an efficient GPU-accelerated version of Watsite, a program for generating hydration profiles of protein systems through molecular dynamics simulations.\newline</div><div>\indent For accurate affinity prediction for congeneric series of compounds, we developed a new methodological platform for mixed-solvent simulation based on the lambda-dynamics concept. Additionally, we developed a deep-learning model that combines molecular dynamics simulations and a distance-aware graph attention algorithm. Validation studies using this method revealed that its accuracy is competitive to resource-intensive free energy perturbation (FEP) calculations. To train the model, we generated a synthetic database of congeneric series of compounds extracted from the highest-quality medicinal chemistry articles. Molecular-dynamics simulations were used to simulate all the generated systems as method for data augmentation.\newline</div><div>\indent For flexible docking, we developed a machine-learning assisted docking strategy that relies on protein-ligand distance matrix predictions. This technique is built upon Weisfeiler-Lehman neural network concept with an attention mechanism. Comprehensive validation on docking and cross-docking datasets demonstrated the potential of this method to become a docking concept with higher accuracy and efficiency than existing state-of-the-art flexible docking techniques. </div><div><br></div><div>In summary, the thesis proved the general applicability of deep-learning to various tasks in SBDD. Furthermore, it demonstrates that treating biomolecules as dynamic entities can improve the quality of computational methods in structure-based drug design.</div>

Charles University, Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of Department of Pharmaceutical Technology Candidate Mgr. Anna Nováčková Supervisor doc. Mgr. Jarmila Zbytovská, Dr. rer. nat. Title of Doctoral Thesis Study of substances affecting permeability of the skin barrier The skin barrier plays a vital role in protecting the human body and enables mammals' life on dry land. The epidermis has the primary barrier function due to several cells' layers, which gradually differentiate to their final stage, the stratum corneum (SC). SC is formed by stratified keratinocytes (known as corneocytes) surrounded by a lipid matrix. This intercellular matrix consists of an approximately equimolar ratio of ceramides, free fatty acids and cholesterol. These are particular substances formed in the epidermis from their precursors during the keratinocyte's differentiation, and their arrangement into the multilamellar structure is essential for the impermeability of the skin barrier. However, some substances or factors can disrupt the skin barrier. It is usually an undesirable process of lipid disbalance resulting in disorders or diseases of the skin barrier. On the other hand, specific substances have been developed for a reversible disruption of the skin barrier (so-called enhancers) to allow drug...

La cryopréservation engendre des dégradations variables de l’activité biologique et des fonctionnalités des bactéries lactiques, notamment chez Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, un starter de l’industrie laitière. Le but de ce travail a été d’identifier les marqueurs cellulaires de cryorésitance et de cryosensibilité afin de mieux comprendre les mécanismes de dégradation sous-jacents et d’améliorer les performances industrielles des bactéries lactiques. La cryopresérvation a ici été considérée comme une combination de deux stress majoritaires : froid et osmotique. Une attention particulière a été portée à l’analyse de la membrane cellulaire, un site majeur de dégradation lié à la congélation, mais également à la paroi cellulaire et aux protéines. De plus, les cellules ont été analysées à différentes échelles d’observation, de la population jusqu’à la cellule unique, afin de quantifier l’hétérogénéité des propriétés cellulaires existant au sein de populations. Dans une première partie de ce travail, des conditions de culture ont été comparées pour identifier deux souches de L. bulgaricus présentant des résistances contrastées vis-à-vis de la congélation. Une analyse génomique comparative des souches a également été menée dans le but de fournir des pistes de compréhension de ces comportements différents. Dans une seconde partie, des propriétés membranaires des cellules ont été évaluées en réponse aux stress froid et osmotique : composition en acides gras, organisation au niveau des chaînes d’acides gras et des têtes phospholipidiques, et fluidité.Leur fluidité membranaire a également été caractérisée à une échelle subcellulaire par microscopie de fluorescence au moyen du rayonnement synchrotron, permettant la quantification des hétérogénéités inter- et intra-cellulaires. Enfin, un développement technique et méthodologique a été entrepris afin de permettre l’analyse de bactéries individuelles en milieu aqueux par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, et ainsi leur signature biochimique en conditions natives. Ces approches complémentaires et multidisciplinaires ont révélé l’existence de propriétés et d’organisation différentes de la membrane des deux souches de L. bulgaricus. Différents types d’interaction entre les molécules cryoprotectrices du milieu extracellulaire et la membrane des deux souches a été proposé, pouvant être à l’origine des dommages causés à la souche sensible. De plus, une hétérogénéité plus importante au sein de la population sensible a été identifiée, attribuée à des différences en termes de composition biochimique et d’organisation au niveau de la membrane et de la paroi. Finalement, ce travail suggère quelques marqueurs cellulaires d’évaluation de la cryorésistance des bactéries lactiques, et fournit des méthodes de caractérisation de l’hétérogénéité biochimique au sein des populations. Ceux-ci pourraient être appliqués à l’étude de toute autre étape critique du procédé de production des bactéries lactiques, et pourraient être utiles pour aller vers la production de ferments homogènes au niveau de leur résistance. / Cryopreservation leads to variable degradation of the biological activity and functionality among lactic acid bacteria (LAB), particularly Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, a dairy starter of industrial relevance. The aim of this work was to identify cellular markers of cryoresistance or cryosensitivity for better understanding the mechanisms of cell cryoinjury and increasing LAB industrial performances. Cryopreservation was here considered as a combination of cold and osmotic stresses. A particular focus was given to the analysis of the cell membrane, recognised as a primary site of cryoinjury, but also of the cell wall and proteins. Moreover, cells were analysed from the population level down to the single-cell level to quantify the heterogeneity of cell properties within populations. In the first part of this work, bacterial cultivation conditions were compared to identify two L. bulgaricus strains with markedly different cell cryoresistance. Moreover, a comparative genomic analysis of the strains was performed to provide some clues for the explanation of their different behaviours. In the second part of this work, the membrane properties were evaluated in response to the cold and osmotic stresses: fatty acid composition, organisation of fatty acyl and phospholipid headgroups, and fluidity.Subcellular membrane fluidity was also characterised by fluorescence microscopy using synchrotron radiation, enabling the quantification of inter- and intra-cellular heterogeneities. Finally, original methodological and technical developments were undertaken to achieve the analysis of individual bacterial cells in an aqueous environment by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, for the analysis of the biochemical signature of cells under native conditions. These complementary multidisciplinary approaches revealed different properties and organisation of the membrane of both L. bulgaricus strains. It was proposed that different types of interaction between cryoprotectants of the extracellular matrix and the membrane of both strains could be at the origin of cryoinjury for the sensitive strain. Moreover, a high population heterogeneity characterised the cryosensitive strain, ascribed to differences in terms of biochemical composition and organisation of the membrane and cell wall. Altogether, this work suggests some cellular markers to evaluate LAB cryoresistance and provides methods to characterize population biochemical heterogeneity. These could be applied to any other stressful step of their production process, and should be useful for future production of homogeneous populations of resistant LAB.

En radiothérapie, les nanoparticules faites de métaux lourds telles que les nanoparticules l’or (AuNPs) ont démontré des propriétés radiosensibilisantes particulièrement prometteuses. Une augmentation de la dose et du nombre de radicaux produits, à échelle tumorale (effet photoélectrique) et à échelle sub-cellulaire (électrons Auger) pourraient être responsables d’une partie des effets pour les rayons X de basse énergie. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d'étudier ces mécanismes physiques et chimiques précoces par des outils de simulation, afin de mieux les quantifier et comprendre leur impact sur la survie cellulaire. Nous avons d’abord finalisé et validé une simulation Monte Carlo développée pour suivre les électrons jusqu’à très basse énergie à la fois dans l’eau (meV) et dans l’or (eV). Nous avons obtenu de bons résultats pour l’or en comparant nos données avec des données expérimentales de la littérature, en terme de production d’électrons et de perte d’énergie. Nous avons utilisé cet outil de simulation pour quantifier l’énergie déposée dans des nanocibles situées près d’une AuNP, qui est corrélée à la probabilité de générer des dommages. Cette étude a nécessité d’importantes optimisations, afin d’atteindre des temps de calculs raisonnables. Nous avons montré une augmentation significative de la probabilité d’avoir un dépôt d’énergie dans la nanocible supérieur à une énergie seuil, dans un rayon de 200 nm autour de la AuNP, ce qui suggère qu’une AuNP pourrait efficacement détruire des cibles biologiques situées dans sa périphérie. Nous avons ensuite utilisé la simulation pour quantifier des effets chimiques. A échelle macroscopique, nous avons estimé l'augmentation de la quantité de radicaux libres produits en présence d’une concentration d’AuNPs. Nous avons également comparé la distribution radiale des espèces chimiques d’une nanoparticule d’or ionisée, à celle d’une nanoparticule d’eau ionisée. Si le nombre total d'espèces chimiques par ionisation était en moyenne plus important pour l'or que pour l'eau, le nombre d’espèces chimiques produites en périphérie de la nanoparticule n’était pas systématiquement supérieur pour l’or par rapport à l’eau. Cela suggère que l’effet de la AuNP dans sa périphérie réside surtout dans l’augmentation de la probabilité d’avoir une ionisation. Nous avons également étudié plusieurs scénarios pour expliquer l’augmentation expérimentale inattendue de la production d’espèces fluorescentes lors de l’irradiation d’une solution d’AuNPs et de coumarine. Notre étude suggère qu’un scénario plausible pouvant expliquer les observations expérimentales est l’interférence entre une AuNP et une des molécules intermédiaires produites suite à la réaction entre la coumarine et le radical hydroxyle. Pour finir, nous avons injecté les résultats des simulations dans le modèle biophysique NanOx, développé à l’origine à l’IPNL pour calculer des doses biologiques en hadronthérapie, afin de prédire la survie cellulaire en présence de AuNPs. Nous avons aussi implémenté le Local Effect Model (LEM), principal modèle biophysique utilisé dans le contexte des nanoparticules. Pour le LEM, nous nous sommes appuyés sur plusieurs approches dosimétriques proposées dans la littérature. Pour un système simpliste où les AuNPs étaient distribuées de façon homogène dans la cellule, nous avons montré que, selon l’approche dosimétrique, les prédictions de survies du LEM étaient significativement différentes. De plus, nous avons obtenu une augmentation de la mort cellulaire avec NanOx qui était due uniquement à l’augmentation macroscopique du dépôt de dose. Nous n’avons obtenu aucun effet supplémentaire dû aux électrons Auger, en contradiction avec les prédictions du LEM. Cette étude suggère que les modèles actuels proposés pour prédire l'effet radiosensibilisant des AuNPs doivent être améliorés pour être prédictifs, en prenant par exemple en compte de potentiels mécanismes biologiques mis en évidence par l'expérience / In radiation therapy, high-Z nanoparticles such as gold nanoparticles (GNPs) have shown particularly promising radiosensitizing properties. At an early stage, an increase in dose deposition and free radicals production throughout the tumour (photoelectric effect) and at sub-cellular scale (Auger cascade) might be responsible for part of the effect for low-energy X-rays. In this Ph.D work, we propose to study these early mechanisms with simulation tools, in order to better quantify them and better understand their impact on cell survival. We first finalised and validated Monte Carlo (MC) models, developed to track electrons down to low energy both in water (meV) and gold (eV). The comparison of theoretical predictions with available experimental data in the literature for gold provided good results, both in terms of secondary electron production and energy loss. This code allowed us to quantify the energy deposited in nanotargets located near the GNP, which is correlated with the probability to generate damages. This study required important optimisations in order to achieve reasonable computing time. We showed a significant increase of the probability of having an energy deposition in the nanotarget larger than a threshold, within 200 nm around the GNP, suggesting that GNPs may be particularly efficient at destroying biological nanotargets in its vicinity. The MC simulation was then used to quantify some chemical effects. At the macroscale, we quantified the increase of free radicals production for a concentration of GNPs. We also compared the radial distribution of chemical species following the ionisation of either a gold nanoparticle or a water nanoparticle. We showed that following an ionization, the average number of chemical species produced is higher for gold compared to water. However, in the vicinity of the nanoparticle, the number of chemical species was not necessarily higher for gold compared to water. This suggests that the effect of GNPs in its vicinity mostly comes from the increase of the probability of having an ionisation. We also studied several scenarios to explain the unexpectedly high experimental increase of the production of fluorescent molecules during the irradiation of a colloidal solution of GNPs and coumarin. Our study suggests that a plausible scenario to explain experimental measurements would be that GNPs interfere with an intermediate molecule, produced following the reaction between a coumarine molecule and a hydroxyl radical. During the last step of this Ph.D work, we injected our MC results in the biophysical model NanOx, originally developed at IPNL to calculate the biological dose in hadrontherapy, to predict cell survival in presence of GNPs. In addition, we implemented the Local Effect Model (LEM), currently the main biophysical model implemented for GNP-enhanced radiation therapy, to compare the NanOx and the LEM predictions with each other. In order to estimate cell survival with the LEM, we used various dosimetric approaches that were proposed in the literature. For a simple system where GNPs were homogeneously distributed in the cell, we showed that the LEM had different outcomes with regard to cell survival, depending on the dosimetric approach. In addition, we obtained an increase of cell death with the biophysical model NanOx that was purely due to the increase of the macroscopic dose. We did not obtain an increased biological effectiveness due to Auger electrons, which comes in contradiction with the LEM predictions. This study suggests that the current biophysical models available to predict the radiosensitizing effect of GNPs must be improved to be predictive. This may be done, for instance, by accounting for potential biological mechanisms evidenced by experimental works

The study was conducted at the vicinity of the rural town of Doka in an area of about 55 x 40 km2. The aim of the study was to map and model the influences of the introduction of mechanized rain-fed agriculture and its rapid expansion on the natural vegetation in the southern Gadarif Region. To achieve these objectives the study utilized a series of techniques. Beside the intensive use of remote sensing imagery, interviews with key informants and farmers as well as detailed field surveys were carried out. Multi-temporal analyses of remote sensing imagery showed that during the seventies the average natural vegetation clearing rate increased most rapidly and then began to slow down. Farmers are aware that land degradation, in various forms, is taking place on their cultivated agricultural land. This is based on their perception and the interpretation of indicators such as weed infestation, reduced soil fertility and soil compaction. Continuous cropping, mono-cropping, rainfall shortage and the use of inferior seeds were the main reasons of land degradation indicated by the farmers. Abandonment of agricultural land to restore soil fertility is a common practice among farmers in the Gadarif Region. The study proved that the subsequent natural regeneration of plant species and the vegetation development on abandoned agricultural land are subject to the previous cultivation period and the duration of the fallow. The current regeneration capacity of the abandoned land may not be sufficient to reach full restoration of the previous vegetation climax except for some pockets which received more regenerative resources. Field surveys in conjunction with remotely sensed and topographic data have the potential to explain the restoration and rehabilitation patterns of degraded/abandoned agricultural land to a good extent. The findings of the study seem to be representative not only for the whole Gadarif Region or other areas in Sudan, but also for other regions in the Sahel Zone with similar problems and environmental and social conditions. One of the most practical conservation approaches is to let farmers play an active role in managing their abandoned land. Such management aims to allow for a certain level of use and benefits while maintaining the natural vegetation development on theses area in order to achieve maximal restoration. Although the study investigated the vegetation development in abandoned mechanized rainfed agricultural land, a full understanding of the path-way needs surveys that include more types of abandoned land and investigation of the effects of other local environmental factors (e.g. fire, grazing, distance from forests etc.) for more than one season.