Il apparaît au grand jour que de nombreuses substances telles que les perturbateurs endocriniens sont introduites quotidiennement dans l’environnement. Ces molécules organiques bien souvent d’origine anthropique peuvent être employées dans d’innombrables circonstances : pharmaceutique, médecine, agriculture, cosmétique, agroalimentaire pour citer quelques exemples. Parmi ce large panel de composés, se trouvent les hormones stéroïdiennes. Un certain nombre de maladies et de modifications aussi bien comportementales que physiologiques tant chez l’humain que sur la faune aquatique sont attribuées à l’usage et aux rejets chroniques de ces perturbateurs endocriniens. Il est donc indispensable de développer une approche portée sur la prévention et l’étude des niveaux de contamination selon un seul maître-mot : précaution. Dans ce contexte, ce projet de doctorat visait à développer de nouvelles méthodes de détection des hormones stéroïdiennes à niveau ultra-trace dans diverses matrices environnementales. La sélection des composés ciblés dans ce projet s’est basée sur la nouvelle liste de perturbateurs endocriniens prioritaires de l’agence de protection de l’environnement des États-Unis (US EPA), récemment élargie à d’autres classes de substances dont le bisphénol A. Les méthodes analytiques ont été développées non seulement dans l’eau du robinet (EPA 539), mais également dans d’autres matrices plus complexes (eaux de surface, eaux usées). Commune à l’ensemble des procédures testées, la phase de validation analytique a permis de vérifier la conformité avec les exigences de performance de l’EPA. La première méthode mise au point repose sur une pré-concentration rapide de l’échantillon par extraction sur phase solide en ligne (on-line SPE) couplée à la chromatographie liquide à ultra-haute performance (UHPLC) et à la spectrométrie de masse en tandem (MS/MS). La méthode validée présente de nombreux avantages—reproductibilité, automatisation, temps d’analyse minimal, logistique réduite et surtout des limites de détection de 0,10 ng·L-1 à 7,5 ng·L-1 selon les différentes matrices étudiées. Cette méthode apparaît particulièrement adaptée pour la détection des hormones dans les eaux usées, en lien avec les plus fortes concentrations attendues. Cependant, il est apparu pertinent d’améliorer encore la sensibilité des méthodes dans certains contextes, notamment dans le cadre des iv analyses d’eau de surface, compte tenu des critères de qualité applicables. La principale modification fut apportée au niveau de l’extraction et de la purification des échantillons. Amendée à la faveur des différentes matrices, l’étape d’extraction par SPE hors-ligne automatisée (off-line SPE) a permis d’atteindre des limites de détection adéquates variant de 0,010 ng·L-1 à 6,0 ng·L-1 dépendamment de la matrice et du composé. Un aspect original de cette étude a consisté à étudier de façon plus systématique les facteurs de robustesse de la méthode lorsque soumise à certaines variations, tant au niveau de l’analyse instrumentale (phases mobiles, volume d’injection) que des protocoles (emploi de différents agents de conservation, par exemple). L’analyse de la phase dissoute ne saurait être suffisante pour comprendre le devenir environnemental des perturbateurs endocriniens dans les milieux aquatiques, notamment leur distribution. Dans cette optique, la phase particulaire en suspension dans la colonne d’eau (SPM) fut également étudiée après optimisation et validation de la méthode d’extraction. Les limites de détection obtenues étaient comprises entre 0,10 ng/g et 3,0 ng/g, un degré de performance adéquat au regard des teneurs attendues dans l’environnement. De telles méthodes ne trouveraient pas de fondement si elles n’étaient pas employées à l’analyse d’échantillons réels. C’est pourquoi, pour chaque méthode développée, une série d’échantillons d’eau a été analysée pour toutes les matrices étudiées. La quantification des hormones stéroïdiennes a permis de rendre compte des niveaux de concentrations retrouvés dans l’environnement. Une étude saisonnière d’un cours d’eau a également été réalisée durant quatre saisons (hiver, printemps, été et automne) afin d’évaluer les éventuelles variations saisonnières en termes d’occurrence et de concentration. / It is now admitted that many substances such as endocrine disruptors are released daily into the environment. This process can be of natural origin but is predominantly linked to human activity. Endocrine disruptors originate from numerous fields: medicine, agriculture, cosmetics, and the food industry, to name a few. Steroid hormones belong to this wide array of compounds. A significant number of human diseases and behavioral and physiological changes in both humans and aquatic life have been attributed to the use and chronic release of these endocrine disruptors. The effects of such a cocktail of substances are difficult to understand and evaluate. To date, the synergistic mechanisms or the potential cumulative effects are not well known. It remains essential to develop an approach focused on the prevention and the study of contamination levels with one key word in mind: precaution. In this context and aiming to detect steroid hormones in tap water, surface water and wastewater at trace levels, new analytical methods have been developed within the framework of this project. The first method developed is based on high performance liquid chromatography (HPLC) coupled with tandem mass spectrometry (MS / MS). LC-MS/MS hyphenation involved using an electrospray ionization source at atmospheric pressure with heating element (H-ESI). Pre-concentration and purification of the samples were executed by on-line solid phase extraction (on-line SPE). The validated method presents several advantages: reproducibility, automation, minimum analysis time, reduced logistics and above all, detection limits ranging from 0.10 ng·L-1 to 7.5 ng·L-1 considering the different matrices studied. The second approach proposed herein is based on the development of an analysis method allowing lower detection limits compared to the previous workflow. The same detection method was used, but a modification was made to the sample extraction and purification. Allowing for greater pre-concentration than online SPE, manual SPE (off-line SPE) was used in this method. Depending on the particular matrix, the extraction step allowed to reach adequate detection limits for the analysis of environmental aqueous samples: 0.010 ng·L-1 up vi to 6.0 ng·L-1 from the matrix-free sample to the most complex matrices. The use of an automated system also made it possible to make the extraction step robust and reproducible. The analysis of the dissolved phase of water samples cannot be sufficient to understand and comprehensively assess the contamination of aquatic environments. The particulate phase in suspension in the water column (SPM) was also studied. The extraction method was optimized and validated. Coupled with the previous method of analysis, it was possible to quantify the steroid hormones attached to suspended materials. The obtained detection limits ranged from 0.10 ng/g to 3.0 ng/g dry weight. For each developed method, dissolved phase samples were analyzed for all the studied matrices (tap water, surface water and wastewater). Quantification of steroid hormones allowed the comprehension of concentration levels found in the environment under usual discharge conditions in multiples matrices. A seasonal study of a watercourse was also carried out during the winter, spring, summer and fall seasons to observe possible seasonal variations in terms of occurrence and concentration.

La neurotoxine β-N-méthyl-amino-l-alanine (BMAA) et ses isomères, notamment la N-(2- aminoéthyl glycine) (AEG), la β-amino-N-méthyl alanine (BAMA) et l'acide 2,4- diaminobutyrique (DAB), ont été détectés précédemment dans des échantillons de cyanobactéries. Cependant, il existe des rapports contradictoires concernant leur présence dans les eaux de surface. Dans cette étude, nous avons évalué l'impact de l'acide trichloracétique (TCA 0,1M) sur la détection des isomères de BMAA, par rapport aux protocoles préexistants. Une méthode instrumentale sensible a été utilisée pour l'étude, avec des limites de détection de l'ordre de 5-10 ng L-1. Des meilleures limites de détection plus élevés et des niveaux significativement plus importants (test des rangs signés de Wilcoxon appariés, p < 0,001) d'isomères de BMAA ont été observés dans les échantillons traités par le TCA, avec des augmentations relatives allant jusqu'à +725 % pour l'AEG et +1450 % pour le DAB, et des augmentations de concentration absolue allant jusqu'à +15 000 ng L-1 pour l'AEG et +650 ng L-1 pour le DAB. Nous avons également documenté les tendances de la présence des isomères de BMAA dans plusieurs lacs de différents pays tels que le Brésil, le Canada, la France, le Mexique et le Royaume-Uni. Les données obtenues au cours de cette étude (n = 390 provenant de 45 sites d'échantillonnage) indiquent des détections fréquentes des isomères AEG et DAB, avec des taux de détection de 30 % et 43 % et des niveaux maximums de 19 000 ng L-1 et 1 100 ng L-1, respectivement. En revanche, le BAMA a été trouvé dans moins de 8 % des échantillons d'eau, et la BMAA n'a été trouvée dans aucun échantillon. Ces résultats appuient les analyses des cyanobactéries libres, dans lesquelles la BMAA a souvent été détectée avec des concentrations inférieures de 2 à 4 ordres de grandeur à celles de l'AEG et du DAB. Les mesures saisonnières effectuées dans deux lacs impactés par des efflorescences ont indiqué des corrélations limitées entre les isomères de la BMAA et les microcystines totales ou la chlorophylle-a, ce qui mériterait une étude plus approfondie. / The neurotoxic alkaloid β-N-methyl-amino-l-alanine (BMAA) and related isomers, including N-(2-aminoethyl glycine) (AEG), β-amino-N-methyl alanine (BAMA) and 2,4-diaminobutyric acid (DAB), have been reported previously in cyanobacterial samples. However, there are conflicting reports regarding their occurrence in surface waters. In this study, we evaluated the impact of amending lake water samples with trichloroacetic acid (0.1M TCA) on the detection of BMAA isomers, compared with pre-existing protocols. A sensitive instrumental method was enlisted for the survey, with limits of detection in the range of 5-10 ng L-1. Higher detection limits ans significantly greater levels (paired Wilcoxon’s signed-rank tests, p < 0.001) of BMAA isomers were observed TCA-amended samples (method B) compared to samples without TCA (method A). The overall range of B/A ratios was 0.67-8.25 for AEG (up to +725 %) and 0.69-15.5 for DAB (up to +1450 %), with absolute concentration increases TCA-amended samples up to +15,000 ng L-1 for AEG and +650 ng L-1 for DAB. We also documented the trends in the occurrence of BMAA isomers for a large breadth of field-collected lakes from Brazil, Canada, France, Mexico, and the United Kingdom. Data gathered during this overarching campaign (overall n = 390 within 45 lake sampling sites) indicate frequent detections of AEG and DAB isomers, with detection rates of 30 % and 43 % and maximum levels of 19,000 ng L-1 and 1,100 ng L- 1, respectively. In contrast, BAMA was found in less than 8 % of the water samples, and BMAA not found in any sample. These results support analyses of free-living cyanobacteria, wherein BMAA was often reported at concentrations 2-4 orders of magnitude lower than AEG and DAB. Seasonal measurements conducted at two bloom-impacted lakes indicated limited correlations of BMAA isomers with total microcystins or chlorophyll-a, which deserves further investigation.

La sensibilité et la profondeur de l'analyse protéomique sont limitées par les ions isobares et les interférences qui entravent l'identification des peptides de faible abondance. Lorsque nous analysons des échantillons de grande complexité, une séparation extensive de l'échantillon est souvent nécessaire pour étendre la couverture protéomique. Ces dernières années, la spectrométrie de mobilité ionique à forme d'onde asymétrique à haut champ (FAIMS) a gagné en popularité dans le domaine de la protéomique pour sa capacité à séparer les ions isobares, à améliorer la capacité de pic et la sensibilité de la spectrométrie de masse (MS). Nous rapportons ici l'intégration d'un appareil FAIMS Pro™ à un Q-Exactive HF™ ainsi qu'un spectromètre de masse Orbitrap Exploris 480™. Des expériences protéomiques sur des digestions d'extraits protéiques issues de cellules Hela à l'aide d'un spectromètre de masse avec FAIMS ont amélioré le rapport signal sur bruit (S/N) et réduit les ions interférents, ce qui a entraîné une augmentation du taux d'identification des peptides de plus de 42 %. FAIMS est également combiné avec le fractionnement ionique segmenté (SIFT), qui utilise tour à tour une fenêtre de 100 ~ 300 m/z au lieu de la large plage traditionnelle (700 ~ 800 m/z), augmentant ainsi la profondeur de la couverture protéomique tout en réduisant la proportion de spectres MS/MS chimériques de 50% à 27%. Dans l'analyse quantitative, nous démontrons l'application de FAIMS pour améliorer les mesures quantitatives lorsque le marquage peptidique isobare est utilisé. Par rapport aux expériences LC-MS/MS conventionnelles, la combinaison des expériences FAIMS et SIFT réalisées sur un modèle à deux protéomes a montré une amélioration de 65 % de la précision des mesures quantitatives. Les digestions tryptiques d'extraits protéiques de différentes lignées cellulaires du cancer colorectal ont été utilisées pour l'évaluation de stratégie combinée FAIMS et SIFT sur un spectromètre de masse Orbitrap Exploris 480™ offre un gain d'identification de 70 % par rapport à l'approche conventionnelle et combinée aux données transcriptomiques elle facilite l’identification de variants protéiques. / The sensitivity and depth of proteomic analysis in mass spectrometry (MS) is limited by isobaric ions and interferences that hinder the identification of low-abundance peptides. For high complexity samples, extensive separation is often required to expand proteomic coverage. In recent years, high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) has gained popularity in the field of proteomics for its ability to resolve confounding ions, improve peak capacity, and sensitivity. This thesis presents the integration of a FAIMS Pro™ interface with electrical and gas embedded connections to a Q-Exactive HF™ as well as an Orbitrap Exploris 480™ mass spectrometer. Proteomic experiments on tryptic digests of HeLa cell line using a FAIMS integrated mass spectrometer improved signal-to-noise ratio (S/N) and reduced the occurrence of interfering ions. This enabled a 42% increase in peptide identification rate. Also, FAIMS was combined with segmented ion fractionation (SIFT), which in turn scans with windows of 100~300 m/z width instead of the traditional width (700~800 m/z), further increasing the depth of proteome coverage by a reducing from 50% to 27% in terms of MS/MS chimeric spectra numbers. The application of FAIMS gain improvement on quantitative measurements with TMT labeling method is presented. Compared to conventional LC-MS/MS tests, the combination of FAIMS and SIFT experiments showed a improvement by 65% in quantitative accuracy when performed on a human-yeast two-proteome model. As an application of the method, the tryptic digests from different colorectal cancer cell lines were used for the evaluation. FAIMS-SIFTcombined strategy on an Orbitrap Exploris 480™ mass spectrometer provides a 70% gain in identification compared to the conventional LC-MS/MS approach for the same sample amount and instrument time. This enhanced sensitivity facilitates single amino acid mutations confirmed by RNAseq analyses.

Le sélénium est un élément trace connu pour son caractère essentiel au développement de nombreux organismes vivants mais également pour ses effets bénéfiques sur la santé humaine. Les recherches effectuées ces cinq dernières années ont renforcé l'idée que ces propriétés seraient dues à la synthèse de sélénoprotéines chez les êtres vivants. Les méthodes classiques d'analyse protéomique ne sont pas adaptées à l'identification ciblée de ces sélénoprotéines très minoritaires. Les travaux de cette thèse ont consisté à développer des méthodes complémentaires plus spécifiques et sensibles en vue de leur détection et de leur identification. Un étalon protéique sélénié stable a été produit pour développer ces méthodes. Le couplage de l'ablation laser et de la spectrométrie de masse couplée à un plasma induit (LA-ICP-MS) a été mis en oeuvre pour la détection des sélénoprotéines après une séparation par électrophorèse sur gel de polyacrylamide (PAGE). Le dispositif d'ablation laser conventionnel a ici été amélioré avec un laser femtoseconde à balayage très rapide permettant une détection plus sensible des sélénoprotéines dans les échantillons biologiques. Une fois détectées, les sélénoprotéines ont été identifiées en spectrométrie de masse moléculaire. Pour cela les sélénopeptides issus de la digestion enzymatique des sélénoprotéines sont d'abord repérés en nanochromatographie couplée à l'ICP-MS puis séquencés en nanochromatographie couplée à la spectrométrie de masse en tandem à ionisation électrospray (nanoHPLC-ESI-MS/MS). La procédure en LA-ICP-MS développée a notamment permis la détection de nouvelles sélénoprotéines chez la bactérie Desulfococcus multivorans. La procédure d'identification a été validée sur deux sélénoprotéines purifiées thiorédoxine réductase et glutathione peroxydase carboxyméthylée. La méthodologie développée contribuera à l'identification de nouvelles sélénoprotéines pour une meilleure compréhension des rôles physiologiques de ces molécules chez de nombreux êtres vivants.

La cartographie peptidique est une méthode qui permet entre autre d’identifier les modifications post-traductionnelles des protéines. Elle comprend trois étapes : 1) la protéolyse enzymatique, 2) la séparation par électrophorèse capillaire (CE) ou chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC) des fragments peptidiques et 3) l’identification de ces derniers. Cette dernière étape peut se faire par des méthodes photométriques ou par spectrométrie de masse (MS). Au cours de la dernière décennie, les enzymes protéolytiques immobilisées ont acquis une grande popularité parce qu’elles peuvent être réutilisées et permettent une digestion rapide des protéines due à un rapport élevé d’enzyme/substrat. Pour étudier les nouvelles techniques d’immobilisation qui ont été développées dans le laboratoire du Professeur Waldron, la cartographie peptidique par CE est souvent utilisée pour déterminer le nombre total de peptides détectés et leurs abondances. La CE nous permet d’avoir des séparations très efficaces et lorsque couplée à la fluorescence induite par laser (LIF), elle donne des limites de détection qui sont 1000 fois plus basses que celles obtenues avec l’absorbance UV-Vis. Dans la méthode typique, les peptides venant de l’étape 1) sont marqués avec un fluorophore avant l’analyse par CE-LIF. Bien que la sensibilité de détection LIF puisse approcher 10-12 M pour un fluorophore, la réaction de marquage nécessite un analyte dont la concentration est d’au moins 10-7 M, ce qui représente son principal désavantage. Donc, il n’est pas facile d’étudier les enzymes des peptides dérivés après la protéolyse en utilisant la technique CE-LIF si la concentration du substrat protéique initial est inférieure à 10-7 M. Ceci est attribué à la dilution supplémentaire lors de la protéolyse. Alors, afin d’utiliser le CE-LIF pour évaluer l’efficacité de la digestion par enzyme immobilisée à faible concentration de substrat,nous proposons d’utiliser des substrats protéiques marqués de fluorophores pouvant être purifiés et dilués. Trois méthodes de marquage fluorescent de protéine sont décrites dans ce mémoire pour étudier les enzymes solubles et immobilisées. Les fluorophores étudiés pour le marquage de protéine standard incluent le naphtalène-2,3-dicarboxaldéhyde (NDA), la fluorescéine-5-isothiocyanate (FITC) et l’ester de 6-carboxyfluorescéine N-succinimidyl (FAMSE). Le FAMSE est un excellent réactif puisqu’il se conjugue rapidement avec les amines primaires des peptides. Aussi, le substrat marqué est stable dans le temps. Les protéines étudiées étaient l’-lactalbumine (LACT), l’anhydrase carbonique (CA) et l’insuline chaîne B (INB). Les protéines sont digérées à l’aide de la trypsine (T), la chymotrypsine (CT) ou la pepsine (PEP) dans leurs formes solubles ou insolubles. La forme soluble est plus active que celle immobilisée. Cela nous a permis de vérifier que les protéines marquées sont encore reconnues par chaque enzyme. Nous avons comparé les digestions des protéines par différentes enzymes telles la chymotrypsine libre (i.e., soluble), la chymotrypsine immobilisée (i.e., insoluble) par réticulation avec le glutaraldéhyde (GACT) et la chymotrypsine immobilisée sur billes d’agarose en gel (GELCT). Cette dernière était disponible sur le marché. Selon la chymotrypsine utilisée, nos études ont démontré que les cartes peptidiques avaient des différences significatives selon le nombre de pics et leurs intensités correspondantes. De plus, ces études nous ont permis de constater que les digestions effectuées avec l’enzyme immobilisée avaient une bonne reproductibilité. Plusieurs paramètres quantitatifs ont été étudiés afin d’évaluer l’efficacité des méthodes développées. La limite de détection par CE-LIF obtenue était de 3,010-10 M (S/N = 2,7) pour la CA-FAM digérée par GACT et de 2,010-10 M (S/N = 4,3) pour la CA-FAM digérée par la chymotrypsine libre. Nos études ont aussi démontrées que la courbe d’étalonnage était linéaire dans la région de travail (1,0×10-9-1,0×10-6 M) avec un coefficient de corrélation (R2) de 0,9991. / Peptide mapping is a routine method for identifying post-translational modifications of proteins. It involves three steps: 1) enzymatic proteolysis, 2) separation of the peptide fragments by capillary electrophoresis (CE) or high performance liquid chromatography (HPLC), 3) identification of the peptide fragments by photometric methods or mass spectrometry (MS). During the past decade, immobilized enzymes for proteolysis have been gaining in popularity because they can be reused and they provide fast protein digestion due to the high ratio of enzyme-to-substrate. In order to study new immobilization techniques developed in the Waldron laboratory, peptide mapping by CE is frequently used, where the total number of peptides detected and their abundance are related to enzymatic activity. CE allows very high resolution separations and, when coupled to laser-induced fluorescence (LIF), provides excellent detection limits that are 1000 times lower than with UV-Vis absorbance. In the typical method, the peptides produced in step 1) above are derivatized with a fluorophore before separation by CE-LIF. Although the detection sensitivity of LIF can approach 10 12 M for a highly efficient fluorophore, a major disadvantage is that the derivatization reaction requires analyte concentrations to be approx. 10 7 M or higher. Therefore, it is not feasible to study enzymes using CE-LIF of the peptides derivatized after proteolysis if the initial protein substrate concentration is <10-7 M because additional dilution occurs during proteolysis. Instead, to take advantage of CE-LIF to evaluate the efficiency of immobilized enzyme digestion of low concentrations of substrate, we propose using fluorescently derivatized protein substrates that can be purified then diluted. Three methods for conjugating fluorophore to protein were investigated in this work as a means to study both soluble and immobilized enzymes. The fluorophores studied for derivatization of protein standards included naphthalene-2,3-dicarboxaldehyde (NDA), fluoresceine-5-isothiocyanate (FITC) and 6-carboxyfluorescein N-succinimide ester (FAMSE). The FAMSE was found to be an excellent reagent that conjugates quickly with primary amines and the derivatized substrate was stable over time. The studied substrates were -lactalbumin (LACT), carbonic anhydrase (CA) and insulin chain-B (INB). The CE-LIF peptide maps were generated from digestion of the fluorescently derivatized substrates by trypsin (T), chymotrypsin (CT) or pepsin (PEP), either in soluble or insoluble forms. The soluble form of an enzyme is more active than the immobilized form and this allowed us to verify that the conjugated proteins were still recognized as substrates by each enzyme. The digestion of the derivatized substrates with different types of chymotrypsin (CT) was compared: free (i.e., soluble) chymotrypsin, chymotrypsin cross-linked with glutaraldehyde (GACT) and chymotrypsin immobilized on agarose gel particles (GELCT), which was available commercially. The study showed that, according to the chymotrypsin used, the peptide map would vary in the number of peaks and their intensities. It also showed that the digestion by immobilized enzymes was quite reproducible. Several quantitative parameters were studied to evaluate the efficacy of the methods. The detection limit of the overall method (CE-LIF peptide mapping of FAM-derivatized protein digested by chymotrypsin) was 3.010-10 M (S/N = 2.7) carbonic anhydrase using insoluble GACT and 2.010-10 M (S/N = 4.3) CA using free chymotrypsin. Our studies also showed that the standard curve was linear in the working region (1.0×10-9-1.0×10-6 M) with a correlation coefficient (R2) of 0.9991.

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