Submitted by Aelson Maciera (aelsoncm@terra.com.br) on 2017-05-19T18:15:12Z No. of bitstreams: 1 TesePLMA.pdf: 8101922 bytes, checksum: 456faa861edf6a27b2e7de9a7a271429 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-05-23T20:32:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TesePLMA.pdf: 8101922 bytes, checksum: 456faa861edf6a27b2e7de9a7a271429 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-05-23T20:33:05Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TesePLMA.pdf: 8101922 bytes, checksum: 456faa861edf6a27b2e7de9a7a271429 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-25T14:21:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TesePLMA.pdf: 8101922 bytes, checksum: 456faa861edf6a27b2e7de9a7a271429 (MD5) Previous issue date: 2016-04-29 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / This work deals with modeling applications, systematic and reliable optimization methodologies of global search, and other computational tools. It is expected that existing computational intelligence methods, encoded in an appropriate tool for the application of process engineering assisted by computer, can lead to useful numerical results for the modeling and optimization of different processes, including biotechnological processes (focus of this work). Thus, different types of methodologies suitable for computer applications, were studied here. The proposed methodologies were implemented and evaluated for the development and optimization of culture media for the fermentation process of Clostridium novyi type B, besides the fermentation process and enzymatic hydrolysis of bagasse associated with the production of bioethanol (1G and 2G). Thus, the potential application of these computational techniques was evaluated to biotechnological systems in different approaches. More specifically, it was performed: Classification of biotechnological systems ( "clustering") in kinetically similar regions to produce cellulosic ethanol (2G ethanol) using fuzzy logic; estimation by global search of kinetic parameters to an alcoholic fermentation model using Simmulated Annealing algorithm (SA) (Contributions to the thematic project FAPESP 2011 / 51902-9); formulation and optimization of economically viable culture media for Clostridium novyi type B using neuro-fuzzy data modeling followed by global search which maximize productivity, also utilizing SA algorithm as a search engine (this step of the project was conducted in partnership with the veterinary pharmaceutical company Vallée SA). The computational tools presented in this work were highly effective for modeling and optimization of the bioprocesses studied. / Este trabalho aborda aplicações de modelagem, metodologias sistemáticas e confiáveis de otimização por busca global, além de outras ferramentas computacionais. Espera-se que métodos de inteligência computacional existentes, codificados em uma ferramenta apropriada para a aplicação da engenharia de processos assistida por computador, resultem em resultados numéricos úteis para a modelagem e otimização de diferentes processos, incluindo-se os processos biotecnológicos (foco deste trabalho). Assim, diferentes tipos de metodologias, apropriadas para aplicações em computador, foram aqui estudadas. Os métodos propostos foram aplicados e avaliados ao desenvolvimento e otimização de meios de cultura para o processo fermentativo do microrganismo Clostridium novyi tipo B, além dos processos de fermentação alcoólica e hidrolise enzimática de bagaço de cana, associados à produção de bioetanol (1G e 2G). Desta forma, foi avaliado o potencial de aplicação destas técnicas computacionais aos sistemas biotecnológicos, em diversas abordagens. Mais especificamente, foram realizadas: classificação (“clustering”) de sistemas em regiões cineticamente semelhantes para a produção de etanol celulósico (Etanol 2G) utilizando lógica Fuzzy; estimação por busca global de parâmetros cinéticos do modelo para uma fermentação alcoólica utilizando o algoritmo Simmulated Annealing (SA) (Contribuições ao projeto temático FAPESP 2011/51902-9); formulação e otimização do meio de cultura economicamente viável para o Clostridium novyi tipo B utilizando a modelagem de dados por neuro-fuzzy seguido de busca global da composição de meio que maximize a produtividade utilizando também o algoritmo SA como ferramenta de busca global (esta etapa do projeto foi realizado em parceria com a empresa farmacêutica veterinária Vallée S.A). As ferramentas computacionais apresentadas neste trabalho se mostraram altamente efetivas para a modelagem e otimização dos bioprocessos estudados." / FAPESP: 2011/51902-9. / FAPESP: 2008/56246-0.

Le secteur industriel du traitement des déchets génère des émissions gazeuses induisant des nuisances odorantes auprès des populations riveraines des installations. Ces effluents gazeux contiennent une grande diversité de composés volatils : oxygénés (acides gras volatils, cétones, aldéhydes, alcools), azotés et soufrés (hydrogène sulfuré (H2S), diméthylsulfure (DMS), diméthyldisulfure (DMDS) et méthanethiol (MT)). Ces effluents gazeux sont traités par un dispositif approprié que sont les bioprocédés. Néanmoins, les seuils de perception des composés odorants et plus particulièrement ceux des composés soufrés, très bas, obligent à atteindre des efficacités d’abattement particulièrement élevées, faute de quoi le résiduel de concentration peut être à l’origine d’un impact notable sur les populations riveraines. L’objectif de cette étude est donc d’améliorer les performances de ces procédés biologiques par la mise en oeuvre de filières de traitement. L’originalité de ce travail est d’évaluer les performances d’épuration d’un mélange de composés soufrés par la mise en oeuvre du couplage de deux procédés biologiques que sont le lit percolateur et le biofiltre.Le premier résultat de ce travail de thèse a consisté à évaluer l’impact du pH sur l’activité de dégradation de composés soufrés en mélange (H2S, DMS et DMDS) en mettant en oeuvre des microcosmes. La valeur du pH de la phase aqueuse a une influence sur l’efficacité d’élimination des DMS et DMDS. Une élimination complète de ces derniers est observée pour une gamme de pH comprise entre 5 et 7. Les performances de ce couplage ont été comparées avec celles observées dans le cas de biofiltres seuls (dupliquats). Après une phase d’acclimatation, un fonctionnement stable est maintenu en conditions opératoires stationnaires. Les potentialités du couplage ont été mises en évidence, les niveaux d’abattement des DMS et DMDS étant supérieurs (de l’ordre de 20%) pour le couplage de bioprocédés. La composante microbiologique a fait l’objet d’une attention particulière en évaluant les densités de deux populations connues pour dégrader ces composés soufrés (Hyphomicrobium et Thiobacillus thioparus) par q-PCR au sein du biofiltre couplé au filtre percolateur et des biofiltres de référence. Les résultats obtenus mettent en évidence la présence de ces deux populations à des taux élevés (104 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Thiobacillus thioparus et 104-106 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Hyphomicrobium). La répartition de ces deux populations est similaire dans les deux cas (couplage et biofiltres seuls).Face à des perturbations représentatives de celles observées sur site, la robustesse du couplage a pu être mise en évidence, les niveaux d’efficacité d’avant les chocs sont récupérés dans un délai inférieur ou égal à 72 heures après l’arrêt de la perturbation. Enfin, une application sur site (équarrissage) a été conduite sur une période de trois mois et a permis de valider les résultats de laboratoire et de montrer l’adaptabilité d’un tel système face à la variabilité d’un effluent réel. / Waste treatment industries generate gaseous emissions that may induce odor annoyance to the surrounding populations. These gaseous effluents contain a large variety of volatile compounds such as oxygenated (volatile fatty acids, ketones, aldehydes and alcohols), nitrogen and sulphur compounds (hydrogen sulphide (H2S), dimethylsulphide (DMS), dimethyldisulfide (DMDS) and methanethiol (MT). These gaseous emissions are controlled by using an adequate system such as biotechniques. Nevertheless, because of their very low odor thresholds, complete elimination of sulphur compounds has to be assessed, as the residual concentration can induce an odorous impact on neighbourhood populations. The aim of this study is to improve these bioprocesses performances by carrying out an adequate system strategy. The originality of this work is to evaluate the removal efficiency of a mixture of sulphur compounds by implementing a combination of two bioprocesses and more precisely a biotrickling filter and biofilter.The first step of this PhD. work consisted of evaluating the pH impact on the biodegradation activity of a mixture of sulphur compounds (H2S, DMS and DMDS) by using microcosms. The pH has an impact on the removal efficiency of DMS and DMDS. The total removal of these compounds is observed for a pH range between 5 and 7. The performances of the coupling have been compared with those reached by implementing control biofilters (duplicated). After an acclimatization period, stable performances are maintained under constant operating conditions. The efficiency of the coupling have been highlighted, the DMS and DMDS abatement levels are superior (around 20%) for the bioprocesses combination.The microbiological component has been investigated within all biofilters by estimating the densities of two populations involved in the biodegradation of sulphur compounds (Hyphomicrobium and Thiobacillus thioparus), by using qPCR. The obtained results highlighted the presence of both populations at high level (104 copies of DNAr-16S gene/ng extracted DNA for Thiobacillus thioparus and 104-106 copies of DNAr-16S gene/ng extracted DNA for Hyphomicrobium). The repartition of these two bacterial populations is similar in both cases (coupling system and reference biofilters). Under transient shock load conditions, the robustness of the coupling has been revealed. The efficiency levels before the shock load are recovered 48 hours after the perturbation off. Finally, the monitoring of an on- site pilot (rendering facility) has been carried out during three months. The laboratory results have been confirmed and the suitability of such a system has been showed under industrial gas variability.

Les bioprocédés environnementaux prennent une place de plus en plus importante dans le paysage industriel mondial. La complexité et la diversité des processus impliqués dans les réactions biologiques de dégradation des polluants limitent considérablement la compréhension et l’utilisation de ces procédés. De plus, les mesures disponibles pour le suivi de cette activité sont souvent hors-ligne et/ou indirectes. Dans ce cadre, les outils de modélisation phénoménologique permettent, via le choix d’hypothèses judicieuses, de lier les observations du système aux processus biologiques sous-jacents. Ces méthodes nécessitent néanmoins l’application d’une étude rigoureuse d’identifiabilité afin de pouvoir exploiter correctement les résultats obtenus. Les modèles ainsi développés permettent de capitaliser des connaissances sur la description des processus biologiques grâce aux mesures effectuées sur le système. Cette approche a été développé au travers de deux cas d’étude, correspondant à deux domaines d’application industrielle. La bioremédiation des sols contaminés aux hydrocarbures constitue la méthode la plus écologique de traitement des sols. Néanmoins, le processus de biodégradation peut être long, voire inexistant en fonction des conditions environnementales. Afin de mesurer l’efficacité de la dégradation, la mesure de la respiration en phase gaz apparaît comme étant l’observation la plus facile à mettre en œuvre. Le problème est que la simple mesure de la consommation d’oxygène est généralement insuffisante. Pour répondre à cette limite, un modèle capable d’expliquer les évolutions du quotient respiratoire apparent grâce aux différentes étapes de la biodégradation a été développé. Cette mesure pourrait alors donner une indication sur l’efficacité de la biodégradation. La seconde partie de ce travail, plus conséquente, s’intéresse à l’épuration des eaux usées par boues activées, elle reprend et amplifie l’approche méthodologique développée pour la biomédiation des sols. L’efficacité de ce traitement des eaux est grandement liée à la production de boues en excès, exprimée par le rendement hétérotrophe. Ce paramètre difficile à maitriser constitue une information primordiale pour la modélisation et la conduite des stations d’épurations. Il apparaît néanmoins que sa définition usuelle ne suffit pas à expliquer ses variations observées. Dans ce cadre, différents modèles phénoménologiques issus des travaux du groupe de travail ASM (Activated Sludge Modeling) ont été étudiés afin de décrire les variations de ce rendement apparent en introduisant les hypothèses réactionnelles liées au stockage du substrat. Une étude expérimentale en laboratoire a permis de confronter ces hypothèses à des mesures de dégradation de substrats purs par des boues activées en respiromètre. L’équilibre entre le stockage du substrat et la croissance bactérienne a ainsi été proposé comme source d’influence majeure sur la valeur du rendement. Ce travail a abouti à une clarification nécessaire de la définition du rendement hétérotrophe. / Environmental bioprocesses are gaining importance in the industrial landscape. Nevertheless, the complexity of mechanisms involved in biological reactions stays an issue for their implementation. Moreover, available measurements of biological activity are often off-tine and/or indirect. ln this context, phenomenological modeling tools are a solution to link observations of the system to underlying biological reactions, considering the right hypotheses. These methods require a rigorous sensitivity analysis in order to properly process the results. Thus, the models permit to obtain precise knowledge about biological systems thanks to indirect measurement. This approach was developed throughout two cases of study corresponding to two industrial fields of application. Bioremediation is the most ecological method for hydrocarbons contaminated soils remediation. Nevertheless, biodegradation can be long or absent depending on environmental conditions. In order to measure its efficiency, respiration measurement in the gas phase seems to be the easiest observation to implement. Oxygen measurement can be insufficient on its own, that is why a model able to describe the evolution of the apparent respiratory quotient has been developed considering the different steps of biodegradation. This observation alone could give insights on the efficiency of biodegradation. The second part of this work deals with activated sludge wastewater treatment using the theoretical approach developed for soil bioremediation. The eftïciency ofthe process depends on the excess production of sludge, which is linked to the heterotrophic yield of the reaction. This parameter is a key component for modeling and optimization of wastewater treatment plant. Most of the time, its common definition is not sufficient to explain its observed variations. In this context, several phenomenological models derived from the activated sludge models were studied to explain these variations, taking into account the substrate storage process. An experimental study was conducted in order to confront the reactional hypothesis of the models to actual measurements of single substrate degradations in respirometer. The balance between substrate storage and direct growth was proposed as a main component of the yield value. This study resulted in a necessary clarification of the heterotrophic yield definition.

L'interleukine-6 (IL-6) exerce des propriétés biologiques multiples telles que l'activation des cellules immunocompétentes, l'activation de la réponse inflammatoire et l'hématopoïèse. Produite également par les cellules tumorales, l'IL-6 impacte la prolifération, la différenciation et la survie de ces dernières. L'IL-6 représente donc depuis plusieurs années une cible thérapeutique pertinente. Dans la première partie de ce travail, nous avons exploré une nouvelle piste potentielle pour bloquer l'activité biologique de l'IL-6, en utilisant un antagoniste naturel que notre équipe a identifié dans plusieurs lignées d'adénocarcinomes du rein, à savoir la molécule tronquée tIL-6. Suite à l'évaluation comparée de deux systèmes d'expression (E. coli versus CHO), nous avons retenu les cellules CHO comme source de production de fractions enrichies en tIL-6 par chromatographie de gel d'exclusion. Disposant d'un panel d'adénocarcinomes de rein (ACHN, Caki1, CLB CHA, CLB VER) et d'une lignée érythroleucémique (TF1), l'activité fonctionnelle de tIL-6 in vitro a été étudiée sur (1) la signalisation IL-6 induite, (2) la prolifération cellulaire IL-6 induite, la survie cellulaire et (4) la modulation de l'expression de protéines relevantes de l'apoptose. La molécule tIL-6 bloque la phosphorylation de la tyrosine Tyr705 de STAT3, qui est un des éléments clés de la voie de signalisation de l'IL-6. Nous rapportons également une autre observation nouvelle indiquant que tIL-6 exerce un effet pro-apoptotique sur certaines lignées RCC. Dans la seconde partie de notre étude, l'impact d'un Ac Mo anti IL-6 dans la réversion de la résistance aux cytotoxiques ou à la radiothérapie a été étudié. Nos résultats démontrent que la voie IL-6 ne constituerait pas un mécanisme majeur de résistance / Interleukin-6 (IL-6) plays numerous physiological roles including haematopoiesis, immune response and inflammation, but also plays a role in modulating cell growth, differentiation and survival of tumors cells. The first goal of the present study was to investigate on the potential role of the truncated protein IL-6 (tIL-6) encoded by the spliced IL-6 mRNA discovered in renal carcinoma cells (RCC). The R&D program was designed based on an industrial approach, aiming at reaching the decision stage to enter or not into preclinical development. Firstly two different expression systems were investigated (E. coli versus CHO cell line). The mammalian expression system was selected as the protein source since a recombinant glycosylated tIL-6 with a molecular weight similar to the predicted natural molecule was obtained from enriched fractions following size exclusion chromatography. Secondly by using a cell line panel including renal carcinoma cells (ACHN, Caki-1, CLB CHA, CLB-VER ) and an erythroleucemic cell line (TF1), in vitro tIL-6 functional activity were analyzed on (1) IL-6 induced signaling, (2) IL-6 induced cell proliferation, (3) on cell survival and also (4) on expression of specific set of proteins involved in apoptosis pathways. The truncated IL-6 was found inhibit IL-6 induced STAT3 Tyr705 and to induce apoptosis in some RCC cell lines which could be depending on IL-6 expression. Understanding more precisely the role of natural truncated IL-6 and its impact in cell tumour growth control will be a major issue in the development of innovative approach to antagonize directly or not IL6. The second goal of the present study was to investigate on reversing resistance of cancer cell lines to cytotoxics or ionizing radiations through the use of a monoclonal antibody directed against IL-6. Our data support the fact that IL-6 is not the preponderant actor of cell resistance to cytotoxics and ionizing radiations, which seems to be regulated by a complex network of proteins