Les dicétopipérazines (DKP : diketopiperazines) sont une classe de produits naturels largement utilisée en médecine. Chez les organismes producteurs, elles peuvent servir de facteurs de virulence, de molécules de signalisation ou encore être impliquées dans la concurrence entre (micro-)organismes ou la défense contre les prédateurs, mais souvent leur rôle est inconnu. Elles peuvent être synthétisées par deux voies de biosynthèse principales : soit par des voies dépendant de synthétases de peptides non ribosomiques (NRPS: Non Ribosomal Peptide Synthetase), des complexes enzymatiques de grande taille utilisant comme substrats les acides aminés protéinogènes ou non, soit par des voies dépendant des cyclodipeptide synthases (CDPS), de petites enzymes utilisant comme substrats des ARNt chargés. Je me suis intéressé à ce deuxième type de voie de biosynthèse. J’ai d’abord participé à une étude visant à caractériser la diversité des CDPS et des DKP synthétisées par ces enzymes. Ce travail a permis d’élargir le champ des CDPS caractérisées expérimentalement, de démontrer l’incorporation par ces enzymes de 17 acides aminés dans des DKP et de poser les bases de la prédiction des DKP synthétisées grâce à l’identification dans la séquence protéique des CDPS de motifs de résidus responsables de la sélection du substrat. J’ai ensuite étudié chez Streptomyces venezuelae un cluster de gènes homologues à des gènes essentiels impliqués chez Mycobacterium tuberculosis dans la biosynthèse d’une dicétopipérazine. J’ai enfin identifié chez Streptomyces aizunensis les gènes dirigeant la biosynthèse de la bicyclomycine, un antibiotique de la famille des DKP utilisé en médecine. Je présente la caractérisation complète de la voie de biosynthèse de la bicyclomycine. Cette biosynthèse fait intervenir une CDPS, cinq dioxygénases dépendantes du fer et du 2-oxoglutarate et une monooxygénase de la famille des cytochromes P450. C’est la voie la plus complexe dépendante de CDPS jamais décrite, la seule contenant plusieurs enzymes d’oxydoréduction et la première voie de biosynthèse d’une molécule utilisée en médecine dépendante d’une CDPS. / Diketopiperazines (DKP) are a class of natural products widely used in medicine. In producer organisms, they may act as virulence factors, signaling molecules or may be involved in competition between (micro-) organisms or defense against predators, but often their role is unknown. They can be synthesized by two main biosynthetic pathways: either by non-ribosomal peptide synthetase (NRPS) dependent pathways, NRPSs being large enzyme complexes using proteinogenic or non-proteinogenic amino acids as substrates, or by Cyclodipeptide synthases (CDPS), small enzymes using loaded tRNAs as substrates. I was interested in this second type of biosynthetic pathway. I first participated in a study having as a goal to characterize the diversity of CDPSs and DKPs synthesized by these enzymes. This work enabled to widen the field of experimentally characterized CDPSs, to demonstrate the incorporation by these enzymes of 17 amino acids in DKPs and to lay the bases for the prediction of the DKPs synthesized thanks to the identification in the protein sequence of CDPSs of residue patterns responsible for substrate selection. I then studied in Streptomyces venezuelae a cluster of genes homologous to essential genes involved in Mycobacterium tuberculosis in the biosynthesis of a diketopiperazine. I finally identified in Streptomyces aizunensis the genes directing the biosynthesis of bicyclomycin, an antibiotic of the DKP family used in medicine. I present the complete characterization of the bicyclomycin biosynthetic pathway. This biosynthesis involves a CDPS, five iron-2-oxoglutarate-dependent dioxygenases and a cytochrome P450 monooxygenase. It is the most complex CDPS-dependent pathway ever described, the only one containing several redox enzymes and the first CDPS-dependent biosynthetic pathway for a molecule used in medicine.

This research accomplished a series of investigations on the polarization switching of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL). The research was preceded experimentally and theoretically to observe the variation of the VCSEL¡¦s polarization switching under various polarization optical feedback and various feedback ratios. A VCSEL with significant polarization-switching hysteresis loop was employed in the experiments to study the interaction between the optical feedback and polarization switching. The experimental results matched the theoretical simulations very well. These results could be interpreted with the graphic analysis of the linear gain model of the VCSEL. In the investigation of the polarization-switching hysteresis loop, experiments found that, inside the loop and at some constant current, the polarization switching would be conducted with a switching delay time. The switching delay time was shortened under stronger optical feedback, revealing an exponential dependence between the switching delay time and optical feedback ratio. In the experiments of small current modulation to continuously switch the laser¡¦s polarization, optical feedback could improve the success of the current-driven polarization switching, significantly enhancing its bandwidth. For a large-range tuning of the laser¡¦s current, as the current modulation frequency increased, the polarization-switching current in the increasing-current process would significantly shift toward the high current end, while the polarization-switching current in the decreasing-current process was affected less. These results greatly contribute to the understanding of the VCSEL¡¦s polarization switching.

Les cyclodipeptides et leurs dérivés, les dicétopipérazines (DKP), constituent une large classe de métabolites secondaires aux activités biologiques remarquables qui sont essentiellement synthétisés par des microorganismes. Les voies de biosynthèse de certaines DKP contiennent des synthases de cyclodipeptides (CDPS), une famille d’enzymes récemment identifiée. Les CDPS ont la particularité de détourner les ARNt aminoacylés de leur rôle essentiel dans la synthèse protéique ribosomale pour les utiliser comme substrats et ainsi catalyser la formation des deux liaisons peptidiques de différents cyclodipeptides. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit a pour objectif de caractériser la nouvelle famille des CDPS. Dans un premier temps, la caractérisation tant structurale que mécanistique de la première CDPS identifiée, AlbC de Streptomyces noursei, est présentée. Puis, les résultats obtenus avec trois autres CDPS, chacune de ces enzymes ayant des caractéristiques adéquates pour approfondir l’étude de la famille des CDPS, sont décrits. Ainsi, la CDPS Ndas_1148 de Nocardiopsis dassonvillei a permis d’étendre nos connaissances sur les bases moléculaires de la spécificité des CDPS. La CDPS AlbC-IMI de S. sp. IMI 351155 est un bon modèle pour analyser l’interaction de chacun des deux substrats nécessaires à la formation d’un cyclodipeptide. Enfin, la caractérisation de la CDPS Nvec-CDPS2 chez l’animal Nematostella vectensis a permis de fournir le premier exemple d’enzyme d’origine animale impliquée dans la synthèse peptidique non ribosomale. / Cyclodipeptides and their derivatives, the diketopiperazines (DKPs), constitute a large class of secondary metabolites with noteworthy biological activities that are mainly synthesized by microorganisms. The biosynthetic pathways of some DKPs contain cyclodipeptide synthases (CDPSs), a newly defined family of enzymes. CDPSs hijack aminoacyl-tRNAs from their essential role in ribosomal protein synthesis to catalyze the formation of the two peptide bonds of various cyclodipeptides. The aim of the work presented in this thesis manuscript is to characterize the CDPS family. At first, the structural and mechanistic characterization of the first identified CDPS, AlbC of Streptomyces noursei, is presented. Then, the results obtained with three other CDPSs, each of which having suitable properties to increase our understanding of the CDPS family, are described. The CDPS Ndas_1148 of Nocardiopsis dassonvillei extends our knowledge of the molecular bases of the CDPS specificity. The CDPS AlbC-IMI of S. sp. IMI 351155 is a good model to analyze the interaction of each of the two substrates required for the formation of a cyclodipeptide. Finally, the characterization of the CDPS Nvec-CDPS2 from Nematostella vectensis provides the first example of enzymes of animal origin involved in nonribosomal peptide synthesis.

Malgré l’intérêt et la diversité des propriétés pharmacologiques des 2,5-dicétopipérazines (DKP), les voies de biosynthèse de ces molécules d’origine microbienne sont très peu connues. L’objectif de mes travaux de thèse a été i) de documenter de nouvelles voies de biosynthèse de DKP qui se caractérisent par la présence d’une synthase de cyclodipeptides (CDPS) travaillant souvent de concert avec une ou plusieurs enzymes de modification des cyclodipeptides et ii) d’explorer la diversité chimique codée par ces voies. Dans un premier temps, je me suis intéressée aux CDPS. Après la sélection par bioinformatique de candidats dans les bases de données génomiques, j’ai pu identifier 51 nouvelles CDPS actives et montrer que ces enzymes peuvent incorporer 17 des 20 acides aminés naturels. Par ailleurs, ce travail a permis de mieux caractériser la famille des CDPS, de définir l’existence de plusieurs sous-familles aux signatures fonctionnelles spécifiques et d’établir les premiers éléments d’un code de spécificité pour la synthèse de cyclodipeptides. Dans un second temps, je me suis attachée à caractériser les enzymes de modification associées aux nouvelles CDPS et, en particulier, les dioxygénases dépendant du Fe(II) et du 2-oxoglutarate (OG) qui sont très représentées dans ces voies. J’ai ainsi pu détecter une activité in vivo pour 11 OG et poursuivre la caractérisation in vitro pour l’une de ces OG, ce qui a permis de caractériser les DKP qu’elle synthétise et d’ainsi montrer la complexité des modifications chimiques introduites. L’ensemble de ces travaux a donc permis d’identifier et de caractériser de nouvelles voies de biosynthèse qui donnent accès à une diversité accrue de DKP. / Despite the interest and diversity of the pharmacological properties of 2,5-diketopiperazines (DKPs), the biosynthetic pathways of these microbial molecules are poorly documented. The aim of my doctoral work was i) to identify new DKP biosynthetic pathways that are characterized by the presence of a cyclodipeptide synthase (CDPS) often associated with one or more cyclodipeptide-tailoring enzymes and ii) to explore the chemical diversity encoded by these pathways. First of all, my study focused on CDPSs. After the bioinformatics-based selection of candidates, 51 novel CDPS were characterized, revealing the incorporation of 17 of the 20 proteinogenic amino acids. Moreover, this work has allowed a better characterization of the CDPS family, by showing the existence of several subfamilies with specific functional signatures and laying the foundations of a specificity conferring code for the synthesis of cyclodipeptides. Second, I characterized the tailoring enzymes associated with the newly identified CDPSs and, in particular, the Fe(II) and oxoglutarate dependent dioxygenases (OGs) that are highly represented in these pathways. I detected the in vivo activity for 11 OGs and characterized the in vitro activity for one of them, showing the complexity of the chemical modifications introduced into the cyclodipeptide. This work has led to identify and characterize novel biosynthetic pathways that provide access to a greater diversity of DKPs.

Cyclodipeptides and their derivatives, the diketopiperazines (DKPs), constitute a large class of secondary metabolites with noteworthy biological activities that are mainly synthesized by microorganisms. The biosynthetic pathways of some DKPs contain cyclodipeptide synthases (CDPSs), a newly defined family of enzymes. CDPSs hijack aminoacyl-tRNAs from their essential role in ribosomal protein synthesis to catalyze the formation of the two peptide bonds of various cyclodipeptides. The aim of the work presented in this thesis manuscript is to characterize the CDPS family. At first, the structural and mechanistic characterization of the first identified CDPS, AlbC of Streptomyces noursei, is presented. Then, the results obtained with three other CDPSs, each of which having suitable properties to increase our understanding of the CDPS family, are described. The CDPS Ndas_1148 of Nocardiopsis dassonvillei extends our knowledge of the molecular bases of the CDPS specificity. The CDPS AlbC-IMI of S. sp. IMI 351155 is a good model to analyze the interaction of each of the two substrates required for the formation of a cyclodipeptide. Finally, the characterization of the CDPS Nvec-CDPS2 from Nematostella vectensis provides the first example of enzymes of animal origin involved in nonribosomal peptide synthesis.