Les microalgues, de par leur diversité, peuvent offrir une multiplicité de molécules bio-sourcées pour des applications variées (alimentation, énergie, santé etc…). Cependant, la production de biodiesel à partir de microalgues, désignée comme la 3e génération de biocarburant, nécessite encore une optimisation lors de l’étape de culture de la biomasse ou lors de l’extraction de l’huile pour que le procédé soit énergétiquement viable. Parmi les voies d’amélioration, l’application de champs électriques pulsés (PEF) en prétraitement à la biomasse pourrait améliorer la rentabilité énergétique du procédé d’extraction de lipides. Ce procédé appliqué aux microalgues est étudié dans le contexte d’une collaboration entre le laboratoire SATIE de l’ENS Cachan Paris Saclay et le laboratoire LGPM de Paris Saclay.Un microsystème d’électroporation a été conçu afin d’étudier in situ l’impact des champs électriques pulsés sur les cellules de microalgue, Chlamydomonas reinhardtii chargées en lipides. Parmi les principaux résultats du projet, l’étude énergétique du procédé a montré que les impulsions de très courte durée (5 µs) sont les moins énergivores. Associées à un champ électrique de 4.5 kV/cm, ces impulsions entrainent une perméabilisation réversible (80 % de cellules atteintes) de quelques secondes tandis qu’un champ de 7 kV/cm entraine un effet irréversible. Après ce prétraitement, les algues sont ensuite mélangées à de l’hexane afin d’évaluer si les lipides sont extraits plus facilement de la cellule. / Microalgae offer a multiplicity of applications for the production of bio-sourced compounds such as proteins, pigments, sugars and oils. However, the energy spent for algae culture and lipid extraction hinder the energetic viability of the process for the production of biofuel derived from algae oils. Among possible improvements, pulsed electric fields (PEF) may be used as a pre-treatment to extract valuable compounds from microalgae and making the process less energy demanding.This project started with a collaboration between the team of bio-micro-systems Biomis, laboratory SATIE, with the team of bio-process engineering laboratory LGPM to study in situ the effects of PEF on microalgae.First, a energetic study is performed in a micro-system specially built for this project to characterize in situ, the effect of various treatment parameters (pulse duration / electric field) on Chlamydomonas reinhardtii cells with high lipid content.Among the outputs of this study, an energetic optimization of PEF conditions shows that a high level of permeability and low energy consumption are obtained when using short pulses of 5 µs. Associated with an electric field of 4.5 kV/cm, the pores are reversible (80% of the cells) during few seconds, and with a field of 7 kV/cm or higher, the permeabilization is irreversible. Afterwards, this PEFpre-treatment is associated with solvent mixing (hexane) to evaluate if lipid extraction is improved.

En raison des restrictions législatives de plus en plus sévères sur la pollution de l'environnement, les industries laitières font face au fil des dernières années à un défi crucial de valorisation des grandes quantités de lactosérum générées. Ainsi, grâce aux récents progrès technologiques et scientifiques ainsi que la forte croissance du marché d'ingrédients biofonctionnels, une voie de valorisation plus efficiente et prometteuse du lactosérum a émergé. En effet, au cours des dernières années, plusieurs études ont démontré que les attributs nutritionnels et biofonctionnels du lactosérum sont particulièrement liés à ses protéines qui constituent une source optimale d'ingrédients alimentaires fonctionnels et de peptides bioactifs. Ainsi, la β-lactoglobuline (β-lg), protéine majeure du lactosérum est un additif fréquemment utilisé dans une large gamme de produits alimentaires en raison de ses excellentes propriétés biofonctionnelles, de sa valeur nutritionnelle élevée et de son faible coût. Ces propriétés biofonctionnelles de la β-lg peuvent être améliorées par différentes méthodes de traitement, notamment les traitements physiques, chimiques et enzymatiques. Cependant, en raison de sa structure globulaire compacte, la β-lg sous sa forme native est relativement résistante aux modifications. Bien que les traitements conventionnels soient efficaces pour améliorer les propriétés structurelles et fonctionnelles des protéines ainsi que la production de peptides biologiquement actifs, ils sont cependant consommateurs de ressources et peuvent affecter négativement la qualité des produits finaux. Par conséquent, l'application de méthodes de traitement physique non thermique émergentes s'avère nécessaire. Ainsi, dans le cadre de ce projet doctoral, les traitements électriques à hauts voltages (TEHV) respectueux de l'environnement, notamment les champs électriques pulsés (CEP) et les arcs électriques (ARC) ont été utilisés comme méthode de prétraitement de la β-lg. Un prétraitement thermique de la β-lg a été effectué afin de comparer l'efficacité des prétraitements par TEHV avec l'approche conventionnelle. De ce fait, les échantillons de β-lg préchauffés étaient considérés comme témoin positif et ceux de la forme native, comme témoin négatif. L'effet des prétraitements sur les propriétés fonctionnelles de la β-lg a été évalué. De même, l'impact des TEHV et du prétraitement thermique sur la structure de la β-lg et sa susceptibilité à l'hydrolyse trypsique et chymotrypsique a été étudié. La chromatographie liquide ultra-performante couplée à la spectrométrie de masse en tandem (UPLC-MS/MS) a été utilisée afin d'analyser et de caractériser les fractions peptidiques issus des différents hydrolysats de la β-lg. De plus, les scores d'éco-efficience (EE) de génération de peptides après hydrolyses trypsique et chymotrypsique ont été calculés dans le but de déterminer laquelle des méthodes de prétraitement était la plus efficiente. Les résultats ont démontré une amélioration des propriétés fonctionnelles (propriétés moussantes, émulsifiantes et d'hygroscopicité) de la β-lg favorisée par l'impact positif des TEHV sur sa structure secondaire. En effet, les analyses structurales ont montré que les TEHV ont induit une modification partielle de la conformation de la β-lg. Une telle modification structurelle a eu pour conséquence une augmentation du degré d'hydrolyse (DH) de près de 2 fois après prétraitement par TEHV comparée à la protéine native. Dans le cas du prétraitement par chauffage conventionnel, l'augmentation du DH était d'environ 1,2 fois comparée à la protéine native. Ces résultats ont été confirmés par l'amélioration des paramètres cinétiques de la β-lg à l'état d'équilibre, après les TEHV. Par ailleurs, une différence significative a été observée entre la trypsine et la chymotrypsine quant au DH et l'efficacité catalytique des deux enzymes. En effet, les constantes d'efficacité catalytique de la chymotrypsine étaient plus élevées que celles de la trypsine, suggérant une meilleure affinité de la chymotrypsine pour la protéine par rapport à la trypsine. En outre, l'analyse des échantillons prétraités en UPLC-MS/MS a démontré que l'application des TEHV a conduit à la libération de peptides à partir des molécules de β-lg avant même l'ajout de trypsine et de chymotrypsine aux milieux réactionnels. De plus, les TEHV ont généré en moyenne 37 à 50 % plus de peptides que les protéines natives et préchauffées. Enfin, l'analyse de l'EE a révélé que les TEHV constituaient une méthode de prétraitement plus éco-efficiente que la méthode conventionnelle car leurs scores EE étaient plus élevés tant pour les procédés d'hydrolyse que pour les peptides bioactifs résultant de l'hydrolyse. Cette thèse apporte également de nouveaux éléments de compréhension quant à la valorisation multidirectionnelle des protéines du lactosérum. / Due to increasingly severe legislative restrictions on environmental pollution, dairy industries have faced over the past few years a crucial challenge of valuing the large quantities of whey generated. Thus, thanks to recent technological and scientific progress as well as the important growth of the biofunctional ingredients market, a more efficient and promising way of whey valorization has emerged. Indeed, in recent years, several studies have demonstrated that the nutritional and biofunctional attributes of whey are particularly linked to its proteins, which constitute an optimal source of functional food ingredients and bioactive peptides. Therefore, ß-lactoglobulin (β-lg), a major whey protein is an additive frequently used in a wide range of food products due to its excellent biofunctional properties, its high nutritional value and its low cost. These biofunctional properties of β-lg can be improved by different treatment methods, including physical, chemical and enzymatic ones. However, due to its compact globular structure, β-lg in its native form is relatively resistant to modifications. Although conventional treatments are effective in improving the structural and functional properties of proteins as well as the production of biologically active peptides, they are nonetheless resource intensive and can negatively affect the quality of final products. Therefore, the application of emerging non-thermal physical treatment methods is necessary. Thus, in the frame of this doctoral project, sustainably high-voltage electrical treatments (HVET), namely pulsed electric fields (PEF) and electric arcs (ARC) were used as pretreatment method of β-lg. Thermal pretreatment of β-lg was performed in order to compare the efficiency of HVET pretreatments with the conventional approach. Therefore, the preheated β-lg samples were considered as positive control and those of the native one as negative control. The effect of pretreatments on the functional properties of β-lg was evaluated. Likewise, the impact of HVET and heat pretreatments on the structure of β-lg and its susceptibility to tryptic and chymotryptic hydrolyses was investigated. Ultra-performance liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (UPLC-MS/MS) was used to analyze and characterize the peptide fractions from the various hydrolysates of β-lg. In addition, the eco-efficiency (EE) scores of peptide generation after tryptic and chymotryptic hydrolyses were calculated in order to determine which of the performed pretreatment methods was the most efficient. The results demonstrated an improvement in the functional properties (foaming, emulsifying and hygroscopicity properties) of β-lg promoted by the positive impact of HVET on its secondary structure. Indeed, structural analyzes have shown that HVET induced a partial modification of the conformation of β-lg. Such structural modification resulted in almost 2-times increase in the degree of hydrolysis (DH) after HVET pretreatments compared to the native protein. In the case of the conventional heating pretreatment, the increase in DH was approximately 1.2-times compared to native protein. These results were confirmed by the improvement in the kinetic parameters of β-lg at steady state after HVET. Furthermore, a significant difference was observed between trypsin and chymotrypsin with regard to DH and the catalytic efficiency of the two enzymes. Indeed, the catalytic efficiency constants of chymotrypsin were higher than those of trypsin, suggesting a better affinity of chymotrypsin with the protein compared to trypsin. In addition, the UPLC-MS MS analysis of pretreated samples demonstrated that the application of HVET led to the release of peptides from β-lg molecules even before the addition of trypsin and chymotrypsin to the reaction media. Additionally, the HVET have generated in average 37-50% more peptides than native and preheated proteins. Finally, the EE analysis revealed that HVET were the most efficient pretreatment method than the conventional one as their EE scores were higher for both hydrolysis processes and bioactive peptides generated from performed hydrolyses. This thesis highlights new understanding elements regarding the multidirectional valorization of whey proteins.

Depuis plusieurs années, la production de yogourts grecs, de caséines et de fromage frais est en forte croissance. En résulte une production de plus en plus conséquente d’un co-produit: le lactosérum acide. Si ce co-produit possède des qualités nutritives et même des applications pharmaceutiques bien connues de certains de ses composants, son utilisation est freinée par la difficulté que représente son séchage. En effet, la présence importante d’acide lactique et de calcium donne au lactosérum acide des propriétés hygroscopiques provoquant son agglutination lors de séchages conventionnels. Industriellement, ce lactosérum est donc préalablement traité par une série de procédés comme la nanofiltration, les résines échangeuses d’ions et l’électrodialyse (ED) afin d’en retirer les éléments problématiques. Cet ensemble de traitements représente néanmoins un investissement ainsi qu’un coût de fonctionnement très important, en plus de générer de grandes quantités d’effluents polluants. L’utilisation d’un procédé unique d’ED permettrait de réduire ces coûts tant économiques, qu’écologiques. Cependant, l’application de l’ED est limitée par les problèmes de colmatages membranaires venant diminuer les performances du procédé ainsi qu’accentuer les nettoyages et accélérer la dégradation des membranes, rendant alors une application industrielle non viable. Au cours de ces travaux, l’ED du lactosérum acide a été réalisée en utilisant différents agencements membranaires ainsi que différents types de membranes. De plus, une configuration utilisant des membranes bipolaires a été testée pour la première fois sur du lactosérum acide. Ces premiers essais ont permis de mesurer la faisabilité du procédé d’ED en termes de déminéralisation et de retrait de l’acide lactique dans le cadre du traitement du lactosérum acide. Pour plusieurs configurations, dont celle utilisant des membranes bipolaires, les taux atteints de 70 % et 45 % respectivement, permettraient un séchage correct du lactosérum. Cependant, un fort colmatage minéral fut observé. Celui-ci fut identifié et caractérisé pour deux configurations d’ED différente afin d’en étudier les mécanismes de formation tout au long du procédé. Suite à ces premiers résultats, de nouveaux essais ont été conduits dans le but de réduire voire de supprimer le colmatage membranaire obtenu par l’application de champs électriques pulsés (CEP). Les présents résultats ont démontré que l’emploi d’une combinaison adéquate d’un temps de pulsation et d’un temps de pause permettait de réduire considérablement le colmatage membranaire lors du traitement de lactosérum acide par ED en plus d’améliorer les performances de séparation du procédé. Cette thèse apporte également de nouveaux éléments de compréhension quant aux mécanismes impliqués dans les améliorations apportées par l’utilisation des CEP grâce au test de neuf conditions différentes. Parmi ces mécanismes, un phénomène de migration sélective de cations divalents a pu être mis en évidence et pourra faire l’objet d’études ultérieures dans le cadre de l’élargissement des applications du procédé d’ED. Enfin, l’optimisation des conditions de CEP a permis de sélectionner des paramètres électrodialytiques permettant le traitement du lactosérum acide tout en minimisant le colmatage membranaire. / Since several years, the increasing production of Greek-style yogurt, caseins and fresh cheese results in the co-production of increasing amounts of acid whey. If this co-product has nutritional qualities and even well-known pharmaceutical applications of some of its components, its use is hindered by drying issues. Indeed, acid whey high lactic acid and calcium contents are responsible for the powder hygroscopic character causing its agglutination during conventional spray-drying. Industrially, this whey is therefore treated by a series of processes such as nanofiltration, ion exchange resins and electrodialysis (ED) before hand in order to remove the problematic elements. However, this treatment represents a high investment and operating cost, in addition to generating large amounts of polluting effluents. The use of a single ED process would reduce these economical and ecological costs. However, the application of ED is limited by membrane fouling issues decreasing the process performance while increasing membrane’s cleaning and degradation, thus rendering an industrial application unsustainable. During this work, acid whey ED was performed using different membrane configurations and types of membranes. For the first time on acid whey, a configuration using bipolar membranes was tested. These first tests made it possible to measure the feasibility of an ED process for acid whey treatment in terms of demineralization and lactic acid removal. For several configurations, including the one using bipolar membranes, demineralization rate of 70% and lactic acid removal rate of 45% were achieved, allowing proper potential drying of the whey. However, a strong membrane scaling was observed. The scaling was identified and characterized for two different ED configurations in order to study the mechanisms involved in its formation throughout the process. Following these initial results, new tests were conducted aiming for the mitigation of the membrane scaling by means of pulsed electric fields (PEF). The present study demonstrated that the use of an adequate combination of pulse time and pause time can significantly reduce membrane scaling during acid whey treatment by ED, in addition to enhancing separation performance. This thesis also brings new elements of understanding regarding the mechanisms involved in the improvements brought by the use of the CEP through the test of nine different conditions. Among these mechanisms, a phenomenon of selective migration of divalent cations has been demonstrated and may be the subject of further studies aiming for the widening of ED process applications. Finally, the optimization of the CEP conditions made it possible to select electrodialytic parameters allowing the treatment of acid whey by ED while minimizing membrane scaling

Ce travail porte sur l’amélioration de l’extraction des composés phénoliques à partir des raisins tout au long de la chaîne de la vinification en rouge. La qualité des vins rouges est en grande partie déterminée par les composés phénoliques. Parmi les composés phénoliques, les anthocyanes, qui sont responsables de la couleur, et les tanins, à l’origine de la sensation d’astringence. Pour augmenter la quantité des composés phénoliques présents dans le vin, un développement des procédés permettant d’améliorer la diffusion des composés phénoliques durant la vinification en rouge doit être mis en jeu. Nous avons entamé notre étude par un suivi de la maturité phénolique des raisins rouges appartenant à différentes parcelles de la société château KSARA localisées dans la vallée de la Békaa tout en se servant des méthodes Glories (1&2) et ITV. Quant à l’amélioration de l’extractibilité des composés phénoliques durant la vinification en rouge, différents prétraitements ont été appliqués dans le but d’améliorer la diffusion de ces composés. Parmi ces procédés, les technologies suivantes ont été abordées dans notre étude: les électrotechnologies (CEP), les ultrasons, le chauffage modéré, le traitement enzymatique, la macération préfermentaire à froid et la thermovinification. Ces techniques permettent d’endommager ou de fragiliser les membranes et/ou parois cellulaires facilitant ainsi la libération du contenu cellulaire vers le milieu extérieur. Les cinétiques d’extraction des composés phénoliques ont pu être modélisées par le modèle empirique de Peleg et le modèle cinétique simplifié afin d’estimer les rendements d’extraction. De plus, dans ce travail, l’accent a été mis sur les propriétés antiradicalaires et antimicrobiennes des composés phénoliques extraits de différentes variétés de raisins fournis par la société Château KSARA. Pour valoriser les co-produits de la vinification, le chauffage ohmique pulsé (COP) a été appliqué sur le marc du raisin dans le but d’améliorer l’extraction de ses composés phénoliques. L'optimisation du choix de la date des vendanges et l'amélioration des procédés d’extractions des composés phénoliques durant la vinification en rouge, pourraient nous conduire à élaborer un vin d'une meilleure qualité. Ce travail étant effectué, il sera intéressant comme projet à venir de valider ces différents pré-traitements à grande échelle pour une perspective d’application industrielle. / This study focuses on improving the extraction of phenolic compounds from grapes throughout the chain of red winemaking. The quality of wine is mainly determined by the phenolic compounds. From these phenolic compounds, the anthocyanins, which are responsible of the color and tannins, the responsible of the astringency. In order to increase the amount of phenolic compounds present in wine, a development of methods used to improve the extraction of phenolic compounds during the red vinification should be discussed. We began our study by using two methods Glories (1&2) and ITV to monitor the phenolic maturity of red grapes grown in the vineyards in the province of Bekaa-Château KSARA S.A.L. Whereas for the improvement of the extractibility of phenolic compounds during the vinification, different pre-treatments were applied in order to ameliorate the diffusion of these compounds. Among these process, the following technologies were discussed in our study: the electrotechnologies (PEF), the ultrasound, the moderate heat treatment, the enzymatic treatment, the cold maceration and the thermovinification. These techniques are able to weaken the cell walls and facilitate the diffusion of grape’s phenolic compounds during vinification. Peleg’s equation and the simplified kinetic model were shown to be suitable for describing the extraction kinetics for phenolic compounds and for the estimation of the extraction yield of polyphenols. Furthermore, in this study, the antiradical and antimicrobial activities of phenolic compounds extracted from grapevine varieties of Château KSARA-Bekaa-Lebanon were analyzed. To valorize the by-products of the vinification, the pulsed ohmic heating (POH) was applied on the grape pomace in order to ameliorate the extraction of the phenolic compounds. The optimization of the choice of the harvesting date and the amelioration of the extraction of phenolic compounds during the red vinification, will conduce to elaborate a high quality of wine. After this study, it will be interesting to validate the different pre-treatments at large scale for a perspective of an industrial application.

Les champs électriques pulsés (CEP) offrent un réel intérêt dans le cadre de la traite des microalgues. En effet, ils permettent l'extraction sélective des composés hydrosolubles ou l'utilisation de solvants biocompatibles pour récolter les molécules hydrophobes. La viabilité des microalgues peut ainsi être conservée. L'objectif de ce travail de thèse est de définir des conditions de traitement permettant à la fois l'extraction des composés d'intérêt et le maintien de la viabilité des microalgues. Le modèle d'étude est la microalgue verte Haematococcus pluvialis. Au stade végétatif, celle-ci contient près d'un tiers de son poids de matière sèche en protéines et en conditions stressantes, elle accumule de l'astaxanthine, un caroténoïde à haute valeur ajoutée.L'application de CEP de 1 kV.cm-1 permet de collecter 50 % des protéines extractibles par broyage avec des microbilles. La mesure de cinq paramètres biologiques suite à ce traitement a mis en évidence que les cellules retrouvaient un état physiologique comparable à celui de microalgues non traitées au bout de 72 h. Cette condition de traitement constitue donc un bon compromis entre l'extraction des protéines et la survie des microalgues, ce qui renforce la faisabilité d'une traite de microalgues par CEP.Dans le cadre de l'extraction de l'astaxanthine, la paroi très résistante des kystes constitue le principal verrou à lever. Une optimisation des conditions de traitement (en particulier de la force des impulsions) et du stade cellulaire traité représentent les deux principales perspectives à étudier pour que l'utilisation des CEP dans le cadre de l'extraction de l'astaxanthine soit pertinente. / Pulsed electric fields (PEF) offer a real interest for microalgae milking. Indeed, they allow the selective extraction of water-soluble compounds or the use of biocompatible solvents to harvest the hydrophobic molecules. The viability of microalgae can thus be maintained. The aim of this PhD thesis work is to define the treatment conditions allowing both the extraction of compounds of interest and the maintenance of the microalgae viability. The biological model is the green microalga Haematococcus pluvialis. At the vegetative stage, it contains nearly one third of its dry matter weight in proteins and under stressful conditions, it accumulates astaxanthin, a high added value carotenoid.The application of PEF of 1 kV.cm-1 allows to collect 50% of the proteins extractable by bead milling. The measurement of five biological parameters highlights that treated cells recover a physiological state comparable to that of untreated microalgae after 72h. This treatment condition constitutes therefore a good compromise between the protein extraction and the survival of the microalgae, which reinforces the feasibility of microalgae milking by PEF.Within the context of astaxanthin extraction, the high resistance of the cell wall of the cysts constitutes the main limitation. Optimization of the treatment conditions (particularly pulse strength) and the cellular stage to treat represent the two main perspectives to study for the use of PEF for astaxanthin extraction to be relevant.

La navigation des axones sur de longues distances est jalonnée de zones de choix, entraînant des changements de direction pour suivre des trajectoires hautement stéréotypées. Dans ce modèle de guidage séquentiel, chaque étape est vue comme essentielle à la suivante. De façon intrigante, quelques exemples suggèrent que le suivi strict de la trajectoire puisse être dispensable pour que les axones atteignent leur destination finale. Nous nous sommes intéressés à cette capacité trajectoire indépendante des axones à localiser leur cible. Pour ce faire, nous avons utilisé deux populations neuronales de la moelle épinière ayant des cibles diamétralement opposées dans l'organisme : les interneurones dorsaux, qui projettent dans le système nerveux central, et les motoneurones ventraux, qui ciblent les muscles en périphérie. Après avoir été déplacés chirurgicalement dans des embryons de poulet, ces deux populations de neurones envoient des axones vers leurs territoires cibles qu'ils atteignent par des trajectoires inédites. Ces observations suggèrent l'existence d'un système de guidage global délivrant aux axones des informations spatiales à large échelle. Outre les signaux moléculaires de guidage bien connus, les signaux bioélectriques sont également des candidats intéressants pour remplir cette fonction. Des champs électriques (CE) ont été détectés dans les embryons en développement et sont connus pour être des vecteurs d'information spatiale. Nous avons testé sur des neurones en culture si des CE comparables à ceux mesurés pendant le développement embryonnaire pourraient guider l'élongation des axones moteurs et d'interneurones dorsaux de poulet. Nous avons trouvé que les deux types d'axones s'orientent en direction de la cathode (-) dans un CE. Cependant, ils présentent des sensibilités significativement différentes aux CE, qui pourraient contribuer à des choix de trajectoires différents in vivo. Ensuite, nous avons observé un effet inhibiteur de la Concanavaline A (ConA) sur la réponse des axones aux champs, indiquant un rôle des récepteurs membranaires connus pour lier la ConA. Nous avons donc réalisé un screen pharmacologique sur des pompes et des canaux ioniques qui se lient à la ConA, conduisant à l'identification des pompes Na+/K+ ATPases comme des candidats prometteurs. Des expériences préliminaires d'invalidation des sous-unités de ces pompes suggèrent qu'elles contribuent à la réponse aux CE et à la navigation axonale in vitro et in vivo. Finalement, nos résultats apportent une vision nouvelle des mécanismes assurant la fidélité et la résilience du guidage axonal, et révèlent la contribution méconnue des signaux bioélectriques et des pompes Na+/K+ ATPases au développement neuronal / Long distance navigation of axons is marked by choice points, instructing highly stereotyped directional changes of axon trajectories. In this stepwise model, each step is thought to be essential for the next one, but intriguingly, examples suggest that pathway experience can be dispensable for axons to reach their final destination. We investigated pathway-independent ability of axons to locate their target, using two populations of spinal cord neurons having drastically different target location in the organism: the dorsal interneurons, which target the central nervous system and ventral motoneurons, which target muscles. After grafting these neurons at ectopic positions in the chicken embryo, both neuron-types were observed to form axons which, remarkably, oriented towards and reached appropriate targets. This suggests that, in the embryo, an overall guidance information might exist that enables the axons to locate positions over large scales. Beside well-studied chemical cues, bioelectric signals are attractive candidates for this function. Electric Fields (EF) were detected in the embryo and reported to encode spatial information. Thus, using in vitro set-ups, we investigated whether EFs in the range of the ones measured in the embryo could influence the navigation of chick motor and dorsal interneuron axons. We found that both axon subsets orient parallel to EFs. Yet, they significantly exhibited different sensitivities, which could contribute to elicit different trajectory choices in vivo. Next, we found that Concanavalin A (ConA) could block axon response to EF, supporting a role of cell surface receptors known to bind to ConA. Thus, we performed a pharmacological screening on ion channels and pumps that bind ConA and identified Na+/K+ ATPases as promising candidates. Preliminary knock-down experiments targeting Na+/K+ ATPases subunits suggest their contribution to CE response and axon navigation in vitro and in vivo. Collectively, our findings should provide novel insights into the mechanisms ensuring axon guidance fidelity and resilience and reveal unknown contributions of bioelectric signals and Na+/K+ ATPases during neuronal development

Malgré les récentes avancées technologiques, les combustions thermiques des véhicules génèrent toujours trop de gaz polluants et les systèmes purement catalytiques ne parviennent pas à les traiter efficacement pour toutes les phases de fonctionnement des moteurs. Les oxydes d'azote font partie des gaz polluants les plus préoccupants, pour lesquels il est urgent de trouver une solution. Ce travail est dédié à la mise en œuvre d'une de ces solutions par l'utilisation des plasmas non-thermiques. La maîtrise et la compréhension des décharges dans les gaz permettent de générer des plasmas non-thermiques, où seuls les électrons sont portés à haute température. Les traitements par plasmas non-thermiques ne provoquent pas d'échauffement significatif du gaz, mais produisent néanmoins des modifications moléculaires importantes. Sous l'influence de champs électriques intenses, et selon la composition initiale des gaz, les oxydes d'azote sont oxydés ou réduits. Afin de modifier favorablement la réactivité des gaz, différentes configurations géométriques de réacteurs ont été optimisées et réalisées. L'optimisation de chaque géométrie est basée sur des calculs en champ électrostatique, pour lesquels l'amplitude de la tension appliquée est inférieure à 20 kV. Certains réacteurs sont pourvus d'une barrière diélectrique, dont la disposition, les dimensions et la nature du matériau sont variables. Un banc expérimental spécifique a été réalisé pour évaluer les performances des réacteurs sur le traitement des oxydes d'azote. différentes sources de tension ont été testées. L'analyse des décharges s'appuie sur la mesure des tensions et des courants. Les expériences ont montré que pour une géométrie fil-cylindre, associée à une source de tension AC moyenne fréquence appropriée, la réduction des oxydes d'azote dans du diazote est proche de 80 %.

L’intégration croissante des procédés innovants comme les ultrasons, les champs magnétiques, et les champs électriques pulsés a pour but d’améliorer et de stabiliser le déroulement des procédés de fermentation. Le champ électrique pulsé (CEP) est un procédé athermique généralement utilisé pour l’inactivation des pathogènes (Barbosa-Cánovas et al., 2001) ainsi que pour l’extraction des composés intracellulaires d’intérêt (El Zakhem et al., 2006a; Vorobiev & Lebovka 2006). Dans ce travail de thèse, nous proposons d’évaluer l’activité microbienne des cellules soumises à un traitement électrique modéré. Un intérêt particulier est apporté à des aspects fondamentaux comme la croissance et le métabolisme des cellules. Sur le plan technologique, le but fondamentale est de mettre en place et optimiser des protocoles de stimulation de microorganismes pour intensifier les bioprocédés. La fermentation de microorganismes stimulés par CEP a montré des cinétiques plus rapides que les levures non traitées. La stimulation de l’activité fermentaire s’est révélée grâce au suivi de la masse du milieu, les solutés solubles, l’absorbance, les sucres... L’optimisation des protocoles de stimulation a permis de réveler deux comportements logarithmique et saturé. Il a été montré une dépendance importante de l’énergie spécifique sur certains aspects physiologiques notamment la taille et le nombre de colonies. / The continually increasing integration of innovative technologies such as ultrasound, magnetic fields, and pulsed electric fields aims to improve and stabilize the course of fermentation processes. The pulsed electric field (PEF) is an athermal process generally used for pathogen inactivation (Barbosa-Canovas et al., 2001) and for the extraction of intracellular compounds of interest (El Zakhem et al., 2006a; Vorobiev & Lebovka 2006). In this thesis, we propose to evaluate the microbial activity of cells subjected to a moderate electric treatment. Special consideration is given to key aspects such as growth and cell metabolism. Technologically, the fundamental purpose is to implement and optimize microorganisms’ stimulation protocols to intensify their bioprocesses. The positive impact of PEF pre-treatment on yeast cells was shown by their faster fermentation kinetics compared to the control. This was proven by monitoring the weight of the ferment, the soluble solutes, the UV absorbance, and sugar consumption profiles. Two behaviors of electrostimulation, “logarithmic” and “saturated”, were revealed by optimization of the stimulation protocols. Finally, a relationship between the growth rate, the size of the colonies and the applied specific energy is deduced.

Les microalgues présentent un vrai potentiel d’innovation dans les principaux secteurs industriels tel que l’énergie, l’agroalimentaire, la cosmétique et la santé. Elles sont considérées comme étant la solution privilégiée pour répondre aux besoins énergétiques futurs et ainsi permettre une transition des énergies fossiles vers les énergies renouvelables. Néanmoins, les systèmes de production à grande échelle à partir de microalgues nécessitent encore des améliorations afin de les rendre économiquement compétitifs et durables tout en préservant l’environnement.Ainsi, l’objectif de cette thèse consiste à évaluer une nouvelle voie pour l’extraction de composés d’intérêt à partir de microalgues et de caractériser leur performance en termes d’efficacité d’extraction. L’utilisation combinée de champs électriques pulsés, et de compressions mécaniques (à travers un système microfluidique dédié) en tant que prétraitements à l’extraction de composés lipidiques, riches en énergie, produits par la microalgue Chlamydomonas reinhardtii, a donc été étudiée. Les mécanismes mis en jeu, à l’échelle de la cellule, ont été mis en évidence.Ce projet de thèse s’est déroulé dans le contexte d’une collaboration entre les laboratoires SATIE de l’ENS Paris-Saclay et LGPM de CentraleSupélec Paris-Saclay.Les résultats obtenus ont permis de confirmer le potentiel des technologies utilisées dans l’amélioration du rendement d’extraction de l’huile algale. Cette étude démontre notamment le rôle important de la paroi cellulaire de l’algue en tant qu’obstacle à une extraction optimale. Une étude approfondie de sa réponse physiologique aux prétraitements et aux conditions de stress est proposée. / Microalgae have a real potential in the innovation of the main industrial sectors such as energy, food, cosmetics and health. They are considered as a promising solution to meet future energy needs and thus enable a transition from fossil to renewable energies. Nevertheless, large scale production systems using microalgae still need improvements to become economically competitive and sustainable while preserving the environment.Thus, the aim of this thesis is to evaluate an innovative approach for the extraction of compounds of interest from microalgae and characterize their performance in terms of extraction efficiency. The effect of combining pulsed electric fields and mechanical compressions (through a dedicated microfluidic system) as pretreatments for the extraction of lipids, energy-rich compounds produced by the microalga Chlamydomonas reinhardtii, was therefore studied. The mechanisms involved, at the cellular scale, were highlighted.This project took place in the context of a collaboration between the laboratories SATIE of ENS Paris-Saclay and LGPM of CentraleSupélec Paris-Saclay.The obtained results have confirmed the potential of the technologies to improve the algal oil extraction. Furthermore, this study demonstrates the important role of the algae’s cell wall as an obstacle to an optimal extraction. A comprehensive study of the microalgae’s physiological response to pretreatments and stress conditions is proposed.

Le but de ce mémoire est de valider la microscopie électro-optique Pockels comme méthode de mesure et de cartographie de champ électrique aux échelles micro et nanométriques. Une première partie est dédiée à la description de l’instrumentation d’imagerie mise en jeu. Nous développons ensuite son application en physique et biophysique. Une étude de couches minces monocristallines de 2-methyl-4-nitroaniline (MNA) a permis de sonder localement la variation de champ électrique appliqué, mais aussi d’étudier l’orientation des axes optiques de ce cristal dans l’espace. A l’échelle sub-longueur d’onde nous avons pu isoler la modulation électro-optique de la diffusion de lumière associée à une nanoparticule isolée de KTiOPO4 (KTP) d’une taille de 150nm. La dépendance polaire du signal Pockels sur la polarisation lumineuse incidente a permis de prédire l’orientation de la maille cristalline du KTP dans l’espace. De telles sondes de champs électriques nanométriques peuvent avoir de nombreuses applications en nano-photonique. Dans le cas d’entité biologiques comme des neurones, la propagation de l’information est assurée par celle d’un champ électrique dans les membranes plasmiques. Dans une première étape, nous nous sommes intéressés à l’étude de bicouches artificielles dopées par un colorant non-linéaire, le DI-8-ANEPPS. Un signal électro-optique Pockels y a été mesuré pour la première fois. La caractérisation de l’insertion du colorant dans la membrane a été aussi discutée. La grande sensibilité à la mesure d’un champ électrique assurée par l’interféromètre permet d’envisager des possibilités d’applications dans des cellules vivantes. Des expériences menées sur des cellules de type PC12 ont montré l’existence d’un signal optique qui est associé à la distribution spatiale du champ électrique. L’ensemble de ces travaux montrent que la microscopie électro-optique s’avère constituer un outil important pour la physique et biophysique. / The aim of this thesis is to validate the electro-optical Pockels microscopy as a powerful technique for electric field imaging at nano and micrometer scales. A first part of this manuscript is dedicated to the instrumental aspects of this new microscope modality. Then we discuss its application in physical and biophysical domains. We have investiguqted 2-methyl-4-nitroaniline(MNA) monocrystalline molecular thin films where the electric field distribution could be imaged, and crystal orientation retrieved. At sub-wavelength scale, we were able to isolate the electro-optical modulation of light scattered by isolated 150nm size KTiOP04 (KTP) nanoparticles. Using the angular dependency of the Pockels response to the polarization of light we could determine the a priori random, spatial orientation of the nanocrystal. Such electric-field nano-probe configuration could find its way in various applications. In the case of biological entities such as neurons, information is transmitted via an electric field signal, propagating through the plasmid membrane. We concentrated first on a model artificial membrane doped with the DI-8-ANEPPS nonlinear dye, evidencing for the first time a Pockels electro-optical response. A relatively high sensitivity to the electric field allows to envision interesting applications in living cells. Experiences performed with PC 12 cells have shown an optical response that reflects the electric field spatial distribution. This work demonstrates that the electro-optical microscopy is emerging as a new powerful tool for sub-wavelength investigation of electro-optical properties in physics and biology.