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.

La construction des biosystèmes d’oxydation passive du méthane (BOPM) est une option économique et durable pour réduire les émissions de méthane des sites d’enfouissement de déchets et des effets subséquents du réchauffement climatique. Les BOPM sont constitués de deux couches principales: la couche d'oxydation du méthane (MOL) et la couche de distribution du gaz (GDL). L'oxydation du méthane se produit dans la MOL par les réactions biochimiques des bactéries méthanotrophes, et la GDL est construite sous la MOL pour intercepter et distribuer les émissions fugitives de biogaz à la base de la MOL. Fondamentalement, l'efficacité d'un BOPM est définie en fonction de l'efficacité d'oxydation du méthane dans la MOL. Par conséquent, il est indispensable de fournir des conditions adéquates pour les activités bactériennes des méthanotrophes. En plus des paramètres environnementaux, l'intensité et la distribution du biogaz influencent l'efficacité des BOPM, et ils peuvent rendre le matériau de la MOL - avec une grande capacité d'accueillir les activités bactériennes - inutilisables en termes d'oxydation du méthane sur place. L'effet de barrière capillaire le long de l'interface entre la GDL et la MOL peut provoquer des émissions localisées de méthane, due à la restriction ou la distribution non uniforme de l’écoulement ascendant du biogaz à la base de la MOL. L'objectif principal de cette étude est d'incorporer le comportement hydraulique non saturé des BOPM dans la conception des BOPM, afin d’assurer la facilité et la distribution adéquates de l'écoulement du biogaz à la base de la MOL. Les fonctions de perméabilité à l'air des matériaux utilisés pour construire la MOL des BOPM expérimentaux au site d’enfouissement des déchets de St Nicéphore (Québec, Canada), ainsi que celles d'autres de la littérature technique, ont été étudiés pour évaluer le comportement d'écoulement non saturé du gaz dans les matériaux et pour identifier le seuil de migration sans restriction du gaz. Ce dernier seuil a été introduit en tant que un paramètre de conception avec lequel le critère de conception recommandé ici, c’est à dire la longueur de la migration sans restriction de gaz (LMSG), a été défini. La LMSG est considérée comme la longueur le long de l'interface entre la GDL et la MOL où le biogaz peut migrer à travers la MOL sans restriction. En réalisant des simulations numériques avec SEEP/W, les effets de la pente de l'interface, des paramètres définissant la courbe de rétention d'eau, de la fonction de la conductivité hydraulique du matériau de la MOL sur la valeur de la LMSG (représentant la facilité d'écoulement du biogaz à l'interface) et de la distribution de l'humidité (et par conséquent celle du biogaz) ont été évalués. Selon les résultats des simulations, la conductivité hydraulique saturée et la distribution des tailles de pores du matériau de la MOL sont les paramètres les plus importants sur la distribution de l'humidité le long de l'interface. Ce dernier paramètre influe également sur la valeur du degré de saturation et donc la facilité du biogaz à la base de la MOL. La densité sèche du matériau de MOL est un autre paramètre qui contrôle la facilité d'écoulement ascendant du biogaz. Les limitations principales de la présente étude sont associées au nombre de matériaux de MOL testés et à l'incapacité de SEEP/W de considérer l'évapotranspiration. Toutefois, compte tenu des hypothèses raisonnables dans les simulations et en utilisant les données de la littérature, on a essayé de réduire ces limitations. En utilisant les résultats des expériences et des simulations numériques, des étapes et des considérations de conception pour la sélection du matériau de MOL et de la pente d'interface ont été proposées. En effet,le comportement hydraulique non saturé des matériaux serait intégré dans les nécessités de conception pour un BOPM efficace, de sorte que la capacité maximale possible d'oxydation du méthane du matériau de la MOL soit exploitée. / Abstract : Implementation of passive methane oxidation biosystems (PMOB) is a cost effective and sustainable solution to eliminate the methane emissions of landfills to the atmosphere and ensuing global warming effects. PMOBs consist of two main layers: methane oxidation layer (MOL) and gas distribution layer (GDL). The oxidation of methane occurs in MOL through the biochemical reactions of methanotrophic bacteria, and GDL is constructed beneath the MOL to intercept and distribute the fugitive biogas emissions at the base of MOL. Basically, the efficiency of a PMOB is defined based on the methane oxidation efficiency in MOL. Therefore, it is indispensable to provide adequate conditions for the bacterial activities of methanotrophs. In addition to the environmental parameters, the intensity and the distribution of the biogas reaching the MOL material influence the efficiency of PMOBs, and they may cause the MOL material possessing great capacity to host the bacterial activities to be unserviceable in terms of in field methane oxidation. The capillary barrier effect along the GDL MOL interface may provoke localized surface methane emissions, resulted from the restricted and/or non uniform distribution of upward flow of biogas at the base of MOL. The main focus of present study is to incorporate the unsaturated hydraulic behavior of PMOBs into the design of PMOBs, providing adequate ease and distribution of upward flow of biogas at the base of MOL. The air permeability functions of the materials used to construct the MOL of experimental PMOBs at the St Nicephore landfill (Quebec, Canada), along with other materials from the technical literature, were studied to evaluate the unsaturated gas flow behavior of the materials and to identify the threshold of unrestricted gas migration. This latter threshold was introduced as a design parameter based on which the recommended design criterion herein, i.e. the length of unrestricted gas migration (LUGM), was defined. LUGM is considered as the length along the GDL MOL interface along which biogas can migrate upwards without restriction. Performing sets of numerical simulations in SEEP/W, the effect of slope of interface and the parameters defining the water retention curve and hydraulic conductivity function of MOL material on value of LUGM (representing the ease of upward flow of biogas at the interface) and distribution of moisture (and therefore biogas) along the GDL MOL interface were assessed. The saturated hydraulic conductivity and the pore size distribution of the MOL material were the most influencing parameters in distribution of moisture along the interface. The latter parameter influences also the value of degree of saturation and therefore, the ease of biogas at the base of MOL. Dry density of MOL material is another parameter that controls the ease of upward flow of biogas. The main limitations of the present study are associated with the number of tested MOL materials and the inability of SEEP/W in considering the evapotranspiration. However, considering reasonable assumptions in simulations and using the data from the literature, it was attempted to reduce the limitations. Based on the results of experiments and numerical simulations, some design steps and considerations for selection of the MOL material and the slope of interface were suggested that incorporate the unsaturated hydraulic behavior into the design necessities for an efficient PMOB so that the maximum possible methane oxidation capacity of MOL material is exploited.

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.