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Thesis advisor: Jia Niu / O-Sulfation is an important chemical code existing widely in nature, participating in a variety of biological activities including immune response, hemostasis, hormone regulation, cell signaling, and viral invasion. The heterogeneous nature, high polarity with negative charge, and the chemical lability of the sulfate modification have created significant challenges in the synthesis and structure-function studies of O-sulfated biomolecules. It is therefore highly desirable to achieve caging and selective release of the O-sulfated biomolecules. Inspired by sulfur (VI) fluoride exchange reaction, our group developed a series of general approaches to caged O-sulfated biomolecules and their selective deprotection. First, an O-sulfation strategy is developed by coupling aromatic fluorosulfate with silylated target molecules. Scalable synthesis was demonstrated on monosaccharides, disaccharides, amino acid, and steroid. Selective hydrolytic and hydrogenolytic removal of the aryl masking groups yielded the corresponding O-sulfated products in excellent yields. Furthermore, a complete knowledge gap was noted in biocompatible caging of sulfate. With the rational design and systematic optimizations, we discovered that fluorosulfotyrosine in peptides and proteins was an ideal precursor for sulfotyrosine (sY), which can be efficiently converted into the anionic active form by hydroxamic acid activators under physiologically relevant conditions. Photocaging the hydroxamic acid activators further allowed for light-controlled activation of functional sulfopeptides. This system featuring fast kinetics, high selectivity, excellent robustness, and on-demand release provides a valuable tool for probing functional roles of sulfation in the peptides and proteins. / Thesis (PhD) — Boston College, 2023. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Chemistry.

L'évaluation de l'impact des polluants dans l'environnement est une des préoccupations majeures qui s'inscrit dans la Directive Européenne Cadre Eau 2000. Les réglementations préconisées ont notamment pour objectif de parvenir au bon état chimique et écologique des masses d'eau. Dans ce contexte, notre étude a consisté à développer une approche multibiomarqueur sur des juvéniles de poisson afin d'évaluer les effets biologiques de la pollution chimique en milieu littoral. Des paramètres moléculaires de détoxification (EROD, GST) et une enzyme antioxydante (CAT) ont été utilisés en tant que "système d'alarme " susceptibles de détecter une perturbation avant l'apparition de signes pathologiques irréversibles. En parallèle, différents biomarqueurs physiologiques (croissance somatique et récente, rapport ARN/ADN, indices morphométrique et lipidique) ont été analysés en considérant que ceux-ci pourraient révéler les dommages induit par les polluants sur l'état de santé des juvéniles. La sensibilité et la pertinence des biomarqueurs moléculaires et physiologiques ont été testés expérimentalement sur des juvéniles : i) de bar exposés à une pollution aigüe de pétrole, ii) de bar et de turbot soumis à des mélanges de contaminants en concentrations environnementales en conditions contrôlée et semi-contrôlée (" caging "). Nos résultats montrent la capacité de l'EROD, et à un degré moindre de la GST, à détecter une exposition courte (2 et 4 jours) des organismes au pétrole et à refléter ses effets délétères sur leur état de santé. Cette relation entre biomarqueurs moléculaires et physiologiques a par contre été plus difficilement établie dans un contexte de pollution multiple. Les indices de croissance et de condition utilisés se sont avérés plus sensibles aux différents niveaux de contamination analysés (métaux et HAPs). Leur utilisation a permis d'évaluer la condition affaiblie des organismes mis en cage en milieu portuaire pendant 38 jours. Cette expérience de " caging " s'est révélée concluante, notamment pour les juvéniles de bar, sur lesquels aucun stress physiologique de la mise en cage n'a été détecté dans la station de référence. Les effets délétères des contaminants chimiques sur l'état de santé des juvéniles de turbot ont également été observés en condition contrôlée après exposition de 21 jours aux mêmes sédiments portuaires et à un sédiment estuarien. En complément de ces expériences, une étude de terrain a été réalisée sur des juvéniles de flet prélevés dans des estuaires le long de la côte française et belge. Une diminution des indices morphométrique et lipidique des juvéniles de flet, issu des trois estuaires anthropisés, a été observée en relation avec des bioconcentrations en métaux plus élevées que l'estuaire de référence. Les résultats issus de ces différentes études montrent la potentialité des indices de croissance et de condition à révéler les effets biologiques des contaminants chimiques sur les juvéniles de poissons marins. Cependant, leur spécificité vis à vis des polluants étant plus faible que les paramètres de détoxification, leur utilisation peut être limitée. Ces travaux montrent ainsi le besoin d'utiliser des biomarqueurs à différents niveaux d'organisation biologique dans les programmes de biosurveillance.

In this thesis we study the problem of robotic interaction with objects from a flexible perspective that complements the rigid force-closure approach. In a flexible interaction the object is not firmly bound to the robot (immobilized), which leads to many interesting scenarios. We focus on the secure kind of flexible interactions, commonly referred to as caging grasps. In this context, the adjective secure implies that the object is not able to escape arbitrarily far away from the robot which is caging it. A cage is a secure flexible interaction because it does not immobilize the object, but restricts its motion to a finite set of possible configurations. We study cages in two novel scenarios for objects with holes: caging through multi-agent cooperation and through dual-arm knotting with a rope. From these two case studies, we were able to analyze the caging problem in a broader perspective leading to the definition of a hierarchical classification of flexible interactions and cages. In parallel to the geometric and physical problem of flexible interactions with objects, we study also the problem of discrete action scheduling through a novel control architecture called Behavior Trees (BTs). In this thesis we propose a formulation that unifies the competing BT philosophies into a single framework. We analyze how the mainstream BT formulations differ from each other, as well as their benefits and limitations. We also compare the plan representation capabilities of BTs with respect to the traditional approach of Controlled Hybrid Dynamical Systems (CHDSs). In this regard, we present bidirectional translation algorithms between such representations as well as the necessary and sufficient conditions for translation convergence. Lastly, we demonstrate our action scheduling BT architecture showcasing the aforementioned caging scenarios, as well as other examples that show how BTs can be interfaced with other high level planners. / <p>QC 20170322</p>

Les réglementations conduisent à multiplier les évaluations du risque écologique lié au rejet des substances chimiques dans les milieux aquatiques avec pour objectif de protéger les populations naturelles. Cependant, ce niveau de protection visé ne peut être utilisé facilement pour établir un lien direct entre une contamination et ses effets. Pour palier cette difficulté, les approches multi-échelles basées sur l'étude des effets des contaminations sur des marqueurs individuels puis sur l'extrapolation de ces effets au niveau des poipulations à partir de modèles de dynamique de population représentent des démarches prometteuses et commencent à être bien acceptées dans les démarches prédictives.Cependant, leur utilisation pour le diagnostic de la qualité des milieux aquatiques reste pour le moment très rare, d'une part en raison de la forte variabilité des réponses des marqueurs individuels in situ liée à l'influence de divers facteurs environnementaux confondants pour l'évaluation de la toxicité, et d'autre part à cause du manque de pertinence environnementale des modèles actuellement proposés. Centré sur l'utilisation de deux espèces couramment observées dans les cours d'eau européens et présentant des caractéristiques écologiques et phylogéniques contrastées : le crustacé Gammarus fossarum et le mollusque Potamopyrgus antipodarum, ce travail doctoral a permis : 1- de proposer une méthodologie pour prendre en compte l'influence des facteurs de confusion dans le but d'améliorer la lecture des bioessais in situ basés sur la mesure des marqueurs individuels sur des organismes encagés et 2- de développer des modèles de dynamique de population écologiquemnt pertinents. / The regulatory framework lead to increase the assessments of the ecological risk linked to the dischaarge of chemical substances in aquatic environment with the aim to protect natural populations. However, this target level of protection cannot be used so easily to etablish a direcet link between a contamination and its effects. In order to overcome this difficulty, the multi-scale approaches based on the study of the effects of the contaminations on individual markers and then on the extrapolation of these effects at the population level with population dynamic models reprensent promising tools and start to bewell accepted in predictive processes. Yet, their use for the diagnosis of water quality remainsrare for the moment, on the one hand, because of the important varaibility of answers of individual makers in situ linked to the influence of diverse confounding environmental factors for the assessments of toxicity and, on the other hand, because pf the lack of environmental relevance of models currently proposed. Focused on the use of 2 species widely observed in European rivers and presenting contrastingecological and phylogenetic characteristics : the Grammar fossarum crutacean and the Potamopyrgus antipodarum mollusc, this doctoral degree first propose a methodology to consider the influenceof confounding factors in order to improve the reading of biological in situ tests based on the measurment of individual markers on caged organisms and second, to develop ecologically relevant population models. Thus, this work allowed to underline the importance of the consideration of confounding factors (i.e. temperature), in different in situ tests based on the measurment of individul markers on caged organisms. Moreover, population models for both species have been defined in order to test the influence of life histories and seasonal variations on demographic sensitivity of populations.

L’extraction de l’uranium a eu pour conséquence une remobilisation de cet actinide au niveau des écosystèmes avoisinants les mines. L’utilisation de sels métalliques lors de la réhabilitation des sites miniers et la présence naturelle de métaux ont accentué les niveaux de la contamination métallique dans les hydrosystèmes soumis aux rejets miniers uranifères.Des expériences in situ ont été conduites au niveau de deux anciens sites miniers uranifères français. L’encagement de l’épinoche à trois épines a été employé pour connaître les effets sublétaux de ce mélange métallique, ainsi que sur la susceptibilité de ce poisson envers un stress biologique.Cette pollution, caractérisée par de plus importantes concentrations métalliques (notamment en uranium), a entraîné un stress oxydant chez l’épinoche visible sur plusieurs biomarqueurs, ainsi que d’autres effets dépendants du site d’exposition.La contamination polymétallique a occasionné une augmentation de la susceptibilité des épinoches au stress biologique, en empêchant leurs réponses phagocytaire antioxydante à ce stress. Ces travaux ont permis de renforcer l’intérêt de la technique d’encagement lors d’une étude environnementale, et celui des immunomarqueurs au sein d’une approche multi-biomarqueurs. / Uranium extraction has resulted in a remobilisation of this actinide into mine surrounding ecosystems. Uses of metal salts during mining site rehabilitation, and the natural presence of metals have increased the metal contamination in hydrosystems submitted to mine tailings.In situ experiments were conducted in two former French uranium mining sites. Three-spined stickleback caging was used to determine the sublethal effects of this metal mixture on this freshwater fish, as well as its effects on fish susceptibility to a sudden biological stress.This pollution, characterised by higher metal concentrations (especially for uranium), has led to an oxidative stress in sticklebacks visible through several biomarkers, and other effects dependent on the study site. The polymetallic contamination has modified the stickleback responses to the biological stress, by preventing their phagocytic and antioxidant responses. This work has reinforced the interest of the caging technique during environmental studies and that of immunomarkers in a multi-biomarker approach.