Les transferts de chaleur et de masse sont deux phénomènes physiques à la base de nombreux systèmes thermiques employés dans des secteurs variés tels que l'industrie, le bâtiment ou encore les énergies renouvelables. Les présents travaux de recherche envisagent différentes méthodologies d'optimisation de configurations assurant le transfert de flux de chaleur, couplé ou non à un écoulement fluide, au sens topologique du terme. Les équations aux dérivées partielles décrivant les phénomènes physiques sont discrétisées avec la méthode des volumes finis. La première partie du manuscrit examine successivement trois classes différentes de méthodes: la théorie constructale, les automates cellulaires et les méthodes par pénalisation. Le même cas académique, portant sur le refroidissement d'un volume fini générant de la chaleur, est résolu au moyen de ces trois méthodes, ce qui permet ainsi de comparer les performances de chaque algorithme. Cette comparaison démontre l'ascendant des méthodes par pénalisation sur les deux premiers types, tant structurellement que quantitativement, et permet également d'établir des solutions basées sur des compromis dans le cadre d'optimisations multi-objectifs. Par conséquent, la seconde partie envisage l'application de cette approche à des configurations réalisant des transferts de chaleur conducto-convectifs en régime laminaire. L'utilisation de paramètres de pénalisation en conjonction avec les volumes finis requiert une régularisation de la dissipation visqueuse le long de l'interface fluide/solide. Une approche bi-objectif est développée visant à minimiser la puissance dissipée par le fluide, tout en maximisant l'énergie thermique récupérée sur le système. Les solutions obtenues adoptent des configurations non-triviales qui sont divisibles en quatre classes topologiques différentes. La thèse ouvre ainsi un nouveau champ d'investigation pour l'optimisation d'écoulements couplés à la problématique du transport de chaleur.

On s'intéresse dans ce travail aux automates cellulaires unidimensionnels qui ont été largement étudiés mais où il reste beaucoup à faire. La théorie spectrale des automates cellulaires a notamment été peu abordée à l'exception de quelques résultats indirects. On cherche a mieux comprendre les cadres topologiques et ergodiques en étudiant l'existence de valeurs propres en particulier celles irrationnelles c'est à dire de la forme e^{2Iπα} où α est un irrationnel et I la racine carrée de l'unité. Cette question ne semble pas avoir été abordée jusqu'à présent. Dans le cadre topologique les résultats sur l'équicontinuité de Kůrka et Blanchard et Tisseur permettent de déduire directement que tout automate cellulaire équicontinu possède des valeurs propres topologiques rationnelles. La densité des points périodiques pour le décalage empêche l'existence de valeurs propres topologiques irrationnelles. La densité des points périodiques pour l'automate cellulaire semble être liée à la question des valeurs propres. Dans le cadre topologique, si l'automate cellulaire possède des points d'équicontinuité sans être équicontinu, la densité des points périodiques a comme conséquence le fait que le spectre représente l'ensemble des racines rationnelles de l'unité c'est à dire tous les nombres de la forme e^{2Iπα} avec α∈Q .Dans le cadre mesuré, la question devient plus difficile, on s'intéresse à la dynamique des automates cellulaires surjectifs pour lesquels la mesure uniforme est invariante en vertu du théorème de Hedlund. La plupart des résultats obtenus demeurent valable dans un cadre plus large. Nous commençons par montrer que les automates cellulaires ayant des points d'équicontinuité ne possèdent pas de valeurs propres mesurables irrationnelles. Ce résultat se généralise aux automates cellulaires possédant des points μ-équicontinu selon la définition de Gilman. Nous démontrons finalement que les automates cellulaires possédant des points μ-équicontinu selon la définition de Gilman possèdent des valeurs propres rationnelles

Reproduction de : Thèse de doctorat : Biomolécules et dynamique cellulaire : Reims : 2005. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. f. 225-239.

Reproduction de : Thèse doctorat : Informatique : Reims : 2008. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. p. 301-320.

Thèse de octorat : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie. Immunologie : Strasbourg 1 : 2007. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

The intended goal of this manuscript is to build bridges between two definitions of complexity. One of them, called the algorithmic complexity is well-known to any computer scientist as the difficulty of performing some task such as sorting or optimizing the outcome of some system. The other one, etymologically closer from the word "complexity" is about what happens when many parts of a system are interacting together. Just as cells in a living body, producers and consumers in some non-planned economies or mathematicians exchanging ideas to prove theorems. On the algorithmic side, the main objects that we are going to use are two models of computations, one called communication protocols, and the other one circuits. Communication protocols are found everywhere in our world, they are the basic stone of almost any human collaboration and achievement. The definition we are going to use of communication reflects exactly this idea of collaboration. Our other model, circuits, are basically combinations of logical gates put together with electrical wires carrying binary values, They are ubiquitous in our everyday life, they are how computers compute, how cell phones make calls, yet the most basic questions about them remain widely open, how to build the most efficient circuits computing a given function, How to prove that some function does not have a circuit of a given size, For all but the most basic computations, the question of whether they can be computed by a very small circuit is still open. On the other hand, our main object of study, cellular automata, is a prototype of our second definition of complexity. What "does" a cellular automaton is exactly this definition, making simple agents evolve with interaction with a small neighborhood. The theory of cellular automata is related to other fields of mathematics, such as dynamical systems, symbolic dynamics, and topology. Several uses of cellular automata have been suggested, ranging from the simple application of them as a model of other biological or physical phenomena, to the more general study in the theory of computation.

Les biofilms, communautés multicellulaires bactériennes, sont omniprésents. Malgré leur importance pour l’écosystème, ils présentent une menace pour l'industrie autant que pour la santé humaine. La virulence des biofilms procède surtout de leur résistance élevée aux antibiotiques, qui rend leur éradication quasiment impossible. Ainsi, les biofilms sont impliqués dans la plupart des infections bactériennes chroniques, causant chaque année plus de 4000 décès en France. P. stuartii est une bactérie connue pour sa capacité à former des biofilms dans le tractus urinaire humain. Elle est responsable de 10% des INU chroniques et est décrite comme étant la plus résistante de son genre. Malgré ces faits, les études menées sur cette bactérie sont rares, freinant la compréhension du mécanisme de développement et de résistance de ses biofilms et compliquant ainsi l’avancement de nouvelles thérapies pour lutter, prévenir ou éradiquer ces infections. P. stuartii exprime au niveau de sa membrane externe deux porines, Omp-Pst1 et Omp-Pst2, qui constituent 70% du contenu protéique membranaire. Ces porines sont le conduit principal permettant à la bactérie de communiquer et d’échanger avec son milieu environnant. Ainsi, les porines sont vitales pour la bactérie.A ce jour, trois publications sont disponibles qui traitent de ces deux porines, mais aucune n’a exploré leur influence sur la formation des biofilms bactériens. Les travaux effectués au cours de ma thèse ont ainsi visé à réduire le manque de connaissance sur les biofilms de P. stuartii et à dévoiler le rôle des porines dans l’établissement et la résistance de ces biofilms. Pour cela, nous avons segmenté notre travail en quatre parties ayant pour objectifs (1) de comprendre la formation des biofilms de P. stuartii et leur réponse aux stress du milieu environnant ; (2) de décrire l’effet de la suppression ou la surexpression des porines ; (3) d’étudier à l’échelle moléculaire et atomique le comportement des porines isolées ; et (4) de développer des outils pour étudier les porines à l’échelle moléculaire au sein d’un biofilm de P. stuartii. / Biofilms, bacterial multicellular communities, are ubiquitous. Despite their importance to the ecosystem, they pose a threat to both industry and human health. The virulence of biofilms is mainly due to their high resistance to antibiotics, which makes their eradication virtually impossible. Thus, biofilms are involved in most chronic bacterial infections, causing each year more than 4,000 deaths in France. P. stuartii is a bacterium known for its ability to form biofilms in the human urinary tract. It is responsible for 10% of chronic nosocomial urinary infections and is described as the most resistant of its kind. Despite these facts, studies on this bacterium are rare, hampering the understanding of the mechanism of development and resistance of its biofilms and thus complicating the advancement of new therapies to fight, prevent or eradicate these infections. P. stuartii expresses at its outer membrane two porins, Omp-Pst1 and Omp-Pst2, which constitute 70% of the membrane protein content. These porins are the main conduit allowing the bacterium to communicate and exchange with its surrounding environment. Thus, porins are vital for the bacteria.To date, three publications are available that deal with these two porins, but none have explored their influence on the formation of bacterial biofilms. The work carried out during my thesis thus aimed to reduce the lack of knowledge about P. stuartii's biofilm and to unveil the role of porins in the establishment and resistance of these biofilms. For this, we have divided our work into four parts aiming at (1) understanding of P. stuartii's biofilms formation and their response to the stresses of the surrounding environment; (2) describing the effect of suppression or overexpression of porins; (3) studying the behavior of isolated porins on a molecular and atomic scale; and (4) developing tools for studying porins on a molecular scale within a biofilm of P. stuartii.

Depuis plusieurs dizaines d’années, la modélisation du vivant est un enjeu majeur qui nécessite de plus en plus de travaux dans le domaine de la simulation. En effet, elle ouvre la porte à toute une palette d’applications : l’aide à la décision en environnement et en écologie, l’aide à l’enseignement, l’aide à la décision pour les médecins, l’aide à la recherche de nouveaux traitements pharmaceutiques et la biologie dite « prédictive », etc. Avant de pouvoir aborder un problème, il est nécessaire de pouvoir modéliser de façon précise le système biologique concerné en précisant bien les questions auxquelles devra répondre le modèle. La manipulation et l’étude de systèmes complexes, les systèmes biologiques en étant l’archétype, pose, de façon générale, des problèmes de modélisation et de simulation. C’est dans ce contexte que la société Integrative BioComputing (IBC) développe depuis le début des années 2000 un prototype d’une Plateforme Générique de Modélisation et de Simulation (la PGMS) dont le but est de fournir un environnement pour modéliser et simuler plus simplement les processus et les fonctions biologiques d’un organisme complet avec les organes le composant. La PGMS étant une plateforme générique encore en phase de développement, elle ne possédait pas les performances nécessaires pour permettre de réaliser la modélisation et la simulation d’éléments importants dans des temps suffisamment courts. Il a donc été décidé, afin d’améliorer drastiquement les performances de la PGMS, de paralléliser et d’optimiser l’implémentation de celle-ci ; le but étant de permettre la modélisation et la simulation d’organes complets dans des temps acceptables. Le travail réalisé au cours de cette thèse a donc consisté à traiter différents aspects de la modélisation et de la simulation de systèmes biologiques afin d’accélérer les traitements de ceux-ci. Le traitement le plus gourmand en termes de temps de calcul lors de l’exécution de la PGMS, le calcul des champs physicochimiques, a ainsi fait l’objet d’une étude de faisabilité de sa parallélisation. Parmi les différentes architectures disponibles pour paralléliser une telle application, notre choix s’est porté sur l’utilisation de GPU (Graphical Processing Unit) à des fins de calculs généralistes aussi couramment appelé GPGPU (General-Purpose computation on Graphics Processing Units). Ce choix a été réalisé du fait, entre autres, du coût réduit du matériel et de sa très grande puissance de calcul brute qui en fait une des architectures de parallélisation les plus accessibles du marché. Les résultats de l’étude de faisabilité étant particulièrement concluant, la parallélisation du calcul des champs a ensuite été intégrée à la PGMS. En parallèle, nous avons également mené des travaux d’optimisations pour améliorer les performances séquentielles de la PGMS. Le résultat de ces travaux est une augmentation de la vitesse d’exécution d’un facteur 18,12x sur les simulations les plus longues (passant de 16 minutes pour la simulation non optimisée utilisant un seul cœur CPU à 53 secondes pour la version optimisée utilisant toujours un seul cœur CPU mais aussi un GPU GTX500). L’autre aspect majeur traité dans ces travaux a été d’améliorer les performances algorithmiques pour la simulation d’automates cellulaires en trois dimensions. En effet, ces derniers permettent aussi bien de simuler des comportements biologiques que d’implémenter des mécanismes de modélisation tels que les interactions multi-échelles. Le travail de recherche s’est essentiellement effectué sur des propositions algorithmiques originales afin d’améliorer les simulations réalisées par IBC sur la PGMS. L’accélération logicielle, à travers l’implémentation de l’algorithme Hash‑Life en trois dimensions, et la parallélisation à l’aide de GPGPU ont été étudiées de façon concomitante et ont abouti à des gains très significatifs en temps de calcul. / For some years, living matter modeling has been a major challenge which needs more and more research in the simulation field. Indeed, the use of models of living matter have multiple applications: decision making aid in environment or ecology, teaching tools, decision making aid for physician, research aid for new pharmaceutical treatment and “predictive” biology, etc. But before being able to tackle all these issues, the development of a correct model, able to give answer about specific questions, is needed. Working with complex systems –biologic system being the archetype of them– raises various modeling and simulation issues. It is in this context that the Integrative BioComputing (IBC) company have been elaborating, since the early 2000s, the prototype of a generic platform for modeling and simulation (PGMS). Its goal is to provide a platform used to easily model and simulate biological process of a full organism, including its organs. Since the PGMS was still in its development stage at the start of my PhD, the application performance prevented the modeling and simulation of large biological components in an acceptable time. Therefore, it has been decide to optimize and parallelize its computation to increase significantly the PGMS performances. The goal was to enable the use of the PGMS to model and simulate full organs in acceptable times. During my PhD, I had to work on various aspects of the modeling and simulation of biological systems to increase their process speed. Since the most costly process during the PGMS execution was the computation of chemical fields, I had to study the opportunity of parallelizing this process. Among the various hardware architectures available to parallelize this application, we chose to use graphical processing units for general purpose computation (GPGPUs). This choice was motivated, beside other reasons, by the low cost of the hardware compared to its massive computation power, making it one of the most affordable parallel architecture on the market. Since the results of the initial feasibility study were conclusive, the parallelization of the fields computation has been integrated into the PGMS. In parallel to this work, I also worked on optimizing the sequential performance of the application. All these works lead to an increase of the software performances achieving a speed-up of 18.12x for the longest simulation (from 16 minutes for the non-optimized version with one CPU core to 53 seconds for the optimized version, still using only one core on the CPU but also a GPU GTX500). The other major aspect of my work was to increase the algorithmic performances for the simulation of three-dimensional cellular automata. In fact, these automata allow the simulation of biological behavior as they can be used to implement various mechanisms of a model such as multi-scale interactions. The research work consisted mainly in proposing original algorithms to improve the simulation provided by IBC on the PGMS. The sequential speed increase, thanks to the three-dimensional Hash Life implementation, and the parallelization on GPGPU has been studied together and achieved major computation time improvement.

The intended goal of this manuscript is to build bridges between two definitions of complexity. One of them, called the algorithmic complexity is well-known to any computer scientist as the difficulty of performing some task such as sorting or optimizing the outcome of some system. The other one, etymologically closer from the word "complexity" is about what happens when many parts of a system are interacting together. Just as cells in a living body, producers and consumers in some non-planned economies or mathematicians exchanging ideas to prove theorems. On the algorithmic side, the main objects that we are going to use are two models of computations, one called communication protocols, and the other one circuits. Communication protocols are found everywhere in our world, they are the basic stone of almost any human collaboration and achievement. The definition we are going to use of communication reflects exactly this idea of collaboration. Our other model, circuits, are basically combinations of logical gates put together with electrical wires carrying binary values, They are ubiquitous in our everyday life, they are how computers compute, how cell phones make calls, yet the most basic questions about them remain widely open, how to build the most efficient circuits computing a given function, How to prove that some function does not have a circuit of a given size, For all but the most basic computations, the question of whether they can be computed by a very small circuit is still open. On the other hand, our main object of study, cellular automata, is a prototype of our second definition of complexity. What "does" a cellular automaton is exactly this definition, making simple agents evolve with interaction with a small neighborhood. The theory of cellular automata is related to other fields of mathematics�� such as dynamical systems, symbolic dynamics, and topology. Several uses of cellular automata have been suggested, ranging from the simple application of them as a model of other biological or physical phenomena, to the more general study in the theory of computation. / The intended goal of this manuscript is to build bridges between two definitions of complexity. One of them, called the algorithmic complexity is well-known to any computer scientist as the difficulty of performing some task such as sorting or optimizing the outcome of some system. The other one, etymologically closer from the word "complexity" is about what happens when many parts of a system are interacting together. Just as cells in a living body, producers and consumers in some non-planned economies or mathematicians exchanging ideas to prove theorems. On the algorithmic side, the main objects that we are going to use are two models of computations, one called communication protocols, and the other one circuits. Communication protocols are found everywhere in our world, they are the basic stone of almost any human collaboration and achievement. The definition we are going to use of communication reflects exactly this idea of collaboration. Our other model, circuits, are basically combinations of logical gates put together with electrical wires carrying binary values, They are ubiquitous in our everyday life, they are how computers compute, how cell phones make calls, yet the most basic questions about them remain widely open, how to build the most efficient circuits computing a given function, How to prove that some function does not have a circuit of a given size, For all but the most basic computations, the question of whether they can be computed by a very small circuit is still open. On the other hand, our main object of study, cellular automata, is a prototype of our second definition of complexity. What "does" a cellular automaton is exactly this definition, making simple agents evolve with interaction with a small neighborhood. The theory of cellular automata is related to other fields of mathematics, such as dynamical systems, symbolic dynamics, and topology. Several uses of cellular automata have been suggested, ranging from the simple application of them as a model of other biological or physical phenomena, to the more general study in the theory of computation.

La mécanotransduction est une propriété essentielle au développement des tissus, leur homéostasie et leur physiopathologie. La voie de signalisation YAP (Yes-Associated Protein) est apparue comme un régulateur particulièrement important de la mécano-réponse. Un défaut de mécanosensibilité défectueuse, associant une signalisation aberrante de la voie YAP, a récemment été rapportée dans des myoblastes humains de patients souffrant de dystrophie musculaire congénitale liée à des mutations du gène de la lamine (L-CMD) (Bertrand et al., 2014). La L-CMD est une forme grave de dystrophie musculaire à début précoce. Mon projet de doctorat visait à disséquer les défauts de la mécanosensibilité de cellules précurseurs du muscle présentant la mutation ΔK32. Mes résultats ont montré que les myoblastes mutants ΔK32 présentaient des un défaut de contact cellule-cellul, attestant d’anomalies de transmission des forces mécaniques entre cellules. Contrairement à ce que l’on observe dans les cellules contrôles à confluence, la voie YAP reste activée dans les myoblastes mutants ΔK32. Cela s‘est traduit par une activité transcriptionnelle accrue de YAP et une localisation nucléaire persistante de YAP dans les myoblastes ΔK32. La suractivité de YAP dans les myoblastes mutants ΔK32 n'était pas liée à une altération de la voie Hippo, voie de signalisation canonique qui régule YAP. La signalisation YAP défectueuse a été associée à une désorganisation de différents sous-ensembles du cytosquelette d'actine, incluant l'actine supranucléaire, l'actine basale et les fibres d'actine de la jonction cellule-cellule. La formation et la maturation de jonctions cellule-cellule était défectueuse dans les myoblates ΔK32, et les expressions protéiques des deux principales cadhérines, M et N-cadhérins, étaient significativement réduites à confluence. De plus, les myoblastes mutants ΔK32 présentaient une perte accrue de contact cellule-cellule pendant la migration, responsable d’une perte de la migration collective dans les cellules mutantes. Enfin, nous avons rapporté une augmentation de l'activité transcriptionnelle de la signalisation Smad 1/5/8 dans les myoblastes mutants ΔK32. En conclusion, ces résultats de thèse suggèrent que les défauts de mécanosensibilité dans les myoblastes mutants ΔK32 affectent la capacité des myoblastes à former des contacts cellule-cellule et à migrer collectivement. Ces défauts de mécanosensibilité peuvent contribuer à la physiopathologie de la L-CMD. / Mechanotransduction is critical for tissue development, homeostasis and diseases. YAP (Yes-Associated Protein) signaling has emerged as a particularly important regulator of the mechano-response. A defective mechanosensing response, including aberrant YAP signaling, has been recently reported in human myoblasts from patients suffering from LMNA related congenital dystrophy (L-CMD) (Bertrand et al., 2014). L-CMD is a severe early-onset form of muscular dystrophies caused by mutations in A-type lamins. My PhD project aims to further dissect mechanosensing defects of immortalized muscle precursor cells which carry the L-CMD causing ∆K32 mutation. My results showed that ∆K32 mutant myoblasts had a defective translation of mechanical forces at cell-cell contact sides. ∆K32 mutant myoblasts failed to inactivate YAP in high cell-cell contact conditions, as attested by an increased transcriptional activity of YAP and a persistent nuclear localization. YAP overactivity in ∆K32 mutant myoblasts was not related to an impaired activation of the Hippo signaling pathway. Defective YAP signaling was associated with a disorganization of different subsets of the actin cytoskeleton, including the supranuclear actin, the basal actin and the actin fibers at cell-cell junction. The formation of mature cell-cell contacts in ∆K32 myoblats was defective, and the protein expressions of both M- and N-cadherins were significantly reduced in high cell-cell contact conditions. Moreover, ∆K32 mutant myoblasts showed an increased loss of cell-cell contact during migration, which caused a shift from a sheet-like to a single cell migration pattern. Finally, we reported an increased transcriptional activity of mechanosensitive Smad 1/5/8 signaling in ∆K32 mutant myoblasts. Taken together, these results suggest that mechanosensing defects in ∆K32 mutant myoblasts affect the ability of myoblast to form cell-cell contacts and to migrate collectively. These mechanosensing defects may contribute to the pathophysiology of L-CMD.