Pontine et Reptine constituent de nouvelles cibles thérapeutiques encore très méconnues à ce jour. Outre leur activité ATPase, les complexes multimériques de Pontine et Reptine ont été décrits comme des hélicases capables d’ouvrir les acides nucléiques. La modélisation moléculaire constitue un outil puissant pour l’étude des systèmes protéiques et c’est pourquoi une approche par docking et dynamique a été envisagée. Au vue de la taille d’un complexe à douze sous-unités, les simulations prenant en compte tous les atomes se sont avérées trop coûteuses en termes de puissance de calcul. Une approche mésoscopique,appelée gros-grains, a donc été utilisée pour réduire le nombre de particules à traiter. Legain de temps de calcul offert par ce modèle nous a permis d’étudier les complexes de Pontine et Reptine en présence de partenaires de type ligands, l’ATP et l’ADP, et de type acide nucléique. Par le biais d’un retour au niveau atomique, une ouverture de la double hélice d’ADN a pu être observée ainsi qu’une orientation préférentielle des brins. Des hypothèses mécanistiques de l'activité hélicase du complexe ont alors pu être formulées sur la base de ces résultats. / Pontin/Reptin complexes offer new therapeutic opportunities despite the fact they are still notwell known. In addition to their ATPase activity, multimeric complexes of Pontin/Reptin were reported as hélicases able to unwind nucleic acids. Molecular modeling techniques are a powerful tool to study proteins, both a docking and molecular dynamics were applied.Considering the size of a twelve sub-units complex, simulations taking into account all atoms were too expensive in terms of computational costs. A mesoscopic approach, called coarse grain,was used to reduce the number of particles. The calculation time saved with this model allowed the study of Pontin/Reptin complexes in the presence of diverse partners like small ligands (ATP or ADP) and/or nucleic acids. Reverse transformation from coarse-grain to the atomic level led to a DNA double helix opening along to the single strands rearrangement.Several mechanistic hypotheses for the complex helicase activity were formulated from these results.

The large difference between processor CPU cycle time and memory access time, often referred to as the memory wall, severely limits the performance of streaming applications. Some data centers have shown servers being idle three out of four clocks. High performance instruction sequenced systems are not energy efficient. The execute stage of even simple pipeline processors only use 9% of the pipeline's total energy. A hybrid dataflow system within a memory module is shown to have 7.2 times the performance with 368 times better energy efficiency than an Intel Xeon server processor on the analyzed benchmarks. The dataflow implementation exploits the inherent parallelism and pipelining of the application to improve performance without the overhead functions of caching, instruction fetch, instruction decode, instruction scheduling, reorder buffers, and speculative execution used by high performance out-of-order processors. Coarse grain reconfigurable logic in an energy efficient silicon process provides flexibility to implement multiple algorithms in a low energy solution. Integrating the logic within a 3D stacked memory module provides lower latency and higher bandwidth access to memory while operating independently from the host system processor.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζεται στην ανάπτυξη αποδοτικών τεχνικών μεταγλώττισης για επαναπροσδιοριζόμενα ολοκληρωμένα συστήματα αρχιτεκτονικών πίνακα. Χρησιμοποιήθηκαν εφαρμογές που κυριαρχούνται από δεδομένα για τον έλεγχο των μεθοδολογιών. Σκοπός είναι να βελτιστοποιηθεί η εκτέλεση των εφαρμογών ως προς χαρακτηριστικά των επαναπροσδιοριζόμενων συστημάτων όπως η απόδοση, ο αριθμός εντολών ανά κύκλο ρολογιού, η επιφάνεια ολοκλήρωσης και ο βαθμός χρησιμοποίησης των επεξεργαστικών πόρων. Αυτό επιτυγχάνεται με την εισαγωγή πρωτότυπων τεχνικών χαρτογράφησης αλλά και την εύρεση βέλτιστων αρχιτεκτονικών. Στο πρώτο τμήμα της διατριβής υλοποιήθηκε η έρευνα, ανάπτυξη και αυτοματοποίηση τεχνικών μεταγλώττισης για επαναπροσδιοριζόμενα συστήματα αρχιτεκτονικών πίνακα. Κύριο χαρακτηριστικό αυτών των αρχιτεκτονικών είναι ύπαρξη μεγάλου αριθμού επεξεργαστικών στοιχείων που δουλεύουν παράλληλα με αποτέλεσμα να επιταχύνουν την εκτέλεση εφαρμογών που εμφανίζουν παραλληλία πράξεων. Η λειτουργία τους σε ενσωματωμένα συστήματα είναι αυτή ενός συνεπεξεργαστή. Η έρευνα πάνω σε επαναπροσδιοριζόμενες αρχιτεκτονικές πίνακα έχει αποκτήσει μεγάλο ενδιαφέρον λόγω της ευελιξίας, της επεκτασιμότητας και της απόδοσής τους, ιδιαίτερα σε εφαρμογές που κυριαρχούνται από δεδομένα. Η μεταγλώττιση, όμως, εφαρμογών πάνω σε αυτές χαρακτηρίζεται από υψηλή πολυπλοκότητα. Απαιτούνται κατάλληλα εργαλεία και ειδικές μεθοδολογίες χαρτογράφησης για την εκμετάλλευση των χαρακτηριστικών αυτών των αρχιτεκτονικών. Με αυτό το σκεπτικό, προτάθηκε μια πρωτότυπη επαναστοχεύσιμη μεθοδολογία χαρτογράφησης εφαρμογών, η οποία επιπλέον έχει αυτοματοποιηθεί με τη χρήση ενός πρότυπου εργαλείου μεταγλώττισης που στοχεύει σε ένα αρχιτεκτονικό παραμετρικό πρότυπο. Αποτέλεσμα ήταν η εύρεση των βέλτιστων αρχιτεκτονικών με βάσει την απόδοση, τον αριθμό των εντολών ανά κύκλο ρολογιού και το χρόνο εκτέλεσης του εργαλείου, για μια ομάδα εφαρμογών. Η αποδοτικότητα μιας επαναπροσδιοριζόμενης αρχιτεκτονικής πίνακα ως προς την ταχύτητα και το κόστος σε υλικό είναι δύσκολο να μετρηθεί, για αυτό έχουν υπάρξει λίγες έρευνες που μελετούν την επίδραση αρχιτεκτονικών παραμέτρων πάνω σε παράγοντες όπως η επιφάνεια ολοκλήρωσης και ο αριθμός εντολών ανά κύκλο ρολογιού. Επιπλέον, καμιά εργασία δεν έχει εξετάσει την επίδραση πολλαπλασιαστών ενσωματωμένων στα επεξεργαστικά στοιχεία των επαναπροσδιοριζόμενων αρχιτεκτονικών. Χρησιμοποιώντας την υπάρχουσα επαναστοχεύσιμη μεθοδολογία μεταγλώττισης και μια παραμετρική υλοποίηση της αρχιτεκτονικής σε γλώσσα περιγραφής υλικού, εξετάζουμε την επίδραση των πολλαπλασιαστών από τη μεριά της χαρτογράφησης και της αρχιτεκτονικής. Επίσης, περιγράφεται η πρωτότυπη μεθοδολογία χαρτογράφησης που εισήχθη με σκοπό την αποδοτική λειτουργία του αλγορίθμου Fast Fourier Transform (FFT) πάνω σε επαναπροσδιοριζόμενα συστήματα αρχιτεκτονικών πίνακα. Ο αλγόριθμος FFT χαρακτηρίζεται από μεγάλο αριθμό πράξεων κυρίως πολλαπλασιασμών που επιβραδύνουν την απόδοση μιας επαναπροσδιοριζόμενης αρχιτεκτονικής. Εκμεταλλευόμενοι την ύπαρξη εσωτερικής επαναληπτικής δομής μέσα στον αλγόριθμο και χρησιμοποιώντας μια επαναπροσδιοριζόμενη αρχιτεκτονική 16 επεξεργαστικών στοιχείων, αναπτύξαμε μια πρωτότυπη τεχνική χαρτογράφησης. Επιπρόσθετα, η τεχνική μας λαμβάνει υπόψη την ιεραρχία μνήμης μεταξύ κύριας μνήμης και επαναπροσδιοριζόμενης αρχιτεκτονικής για την περαιτέρω επιτάχυνση εκτέλεσης του αλγορίθμου FFT. Η χρήση της προτεινόμενης τεχνικής χαρτογράφησης οδηγεί σε επίτευξη βαθμού χρησιμοποίησης των επεξεργαστικών στοιχείων άνω του 90%, τιμή που είναι τουλάχιστον 37% υψηλότερη από την καλύτερη τιμή της βιβλιογραφίας. / The object of this PhD thesis focuses on developing efficient mapping techniques for coarse grain reconfigurable build arrays. Data intensive applications were used to evaluate the proposed methodologies. The aim is to optimize the applications’ performance on characteristics targeting reconfigurable characteristics such as performance, instructions per cycle, area of integration and processing resource utilization. This is achieved by introducing novel mapping techniques and finding optimal architectures. In the first part of the thesis research, development and automation of mapping techniques was carried out targeting coarse grain reconfigurable arrays. The main feature of these architectures is the presence of a large number of processing elements working in parallel thus speeding up the execution of applications featuring parallel operations. The function of these processing elements in embedded systems resembles that of a coprocessor. The research on reconfigurable array architectures has gained considerable interest because of their flexibility, scalability and performance, particularly in data intensive applications. Nevertheless, compiling these applications on reconfigurable architectures is characterized by high degree of complexity. Appropriate tools and special mapping methodologies are needed to exploit the characteristics of these architectures. Bearing this in mind, we proposed a novel reconfigurable methodology for mapping applications, which has also been automated with the use of a prototype compiler tool aiming at a parametric architectural model. The result was finding the best architectures on the basis of performance, the instructions per cycle term and the tool execution time for a sample set of applications. It is difficult to evaluate the efficiency of a reconfigurable array architecture table in terms of speed and area of integration, so there have been few cases studying the effect of architectural parameters on factors such as surface integration and the number of instructions per clock cycle. Moreover, no work has examined the multipliers’ impact embedded in reconfigurable architectures processing elements. Using the existing reconfigurable mapping methodology and a parametric implementation of the architecture in hardware description language, we examine the effect of multipliers on the part of the mapping phase and architecture. We also describe an original mapping methodology introduced for the purpose of efficiently mapping the Fast Fourier Transform (FFT) algorithm on reconfigurable array architectures. The FFT algorithm is characterized by a large number of operations primarily multiplications that slow the performance of a reconfigurable architecture. Exploiting the existence of an internal structure inside the FFT algorithm and by the use of a reconfigurable architecture template of 16 processing elements, we developed a novel mapping technique. Additionally, our technique takes into account the memory hierarchy between main memory and reconfigurable architecture in order to further accelerate the implementation of the FFT algorithm. Using the proposed mapping technique results in processing elements utilization of over 90% value which is at least 37% better than the best value of the related literature.

Nous proposons une nouvelle approche pour déterminer le coefficient de diffusion dans des membranes lipidiques se basant sur la formation d'excimères. Alors que les autres modèles statistiques considèrent le système comme un ensemble de points sur un réseau, nous utilisons un modèle à gros grain afin d'étudier des bicouches lipidiques simulées à l'aide du champs de force Martini. Nous déterminons le taux de réaction dépendant du temps à partir des probabilités de survie obtenues a posteriori à l'aide des trajectoires numeriques des bicouches symétriques de DOPC (1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) et POPC (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) simulées à 283 K et 293 K respectivement. Les dynamiques de collision sont obtenues en distinguant virtuellement les molécules simulées. Les sondes fluorescentes sont supposées semblables aux lipides, et par conséquent, ne modifient pas la dynamique. Nous obtenons une expression générale pour la probabilité de survie en combinant approximation des paires indépendantes et propriétés d'échelle, mais aucune hypothèse n'est faite pour le taux de formation d'excimère. En superposant les intensités d'émission de fluorescence normalisées, déterminées numériquement, aux courbes de titrations expérimentales, nous obtenons deux ensembles de résultats pour le coefficient de diffusion latéral, selon que l'association entre feuillets est autorisée ou pas. Nous utilisons un rayon de capture de 0.5 nm, la distance à partir de laquelle les deux sondes réagissent pour former un excimère. En comparant la dynamique Martini aux expériences de fluorescence, il est possible d'estimer le facteur d'accélération. / We propose a novel approach to extract the lateral diffusion coefficient in lipid bilayers using excimer formation. In contrast to previous statistical models that modeled the system as points undergoing jumps from site to site on a lattice, we use coarse-grained molecular dynamics to study lipid bilayers simulated using the Martini force field. We derive time dependent reaction rates from survival probabilities obtained a posteriori from numerically generated trajectories of symmetric DOPC (1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) and POPC (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) bilayers at 283K and 293K respectively. Collision dynamics are determined by virtually relabeling the simulated molecules. The fluorescent probes are assumed to behave like ordinary membrane lipids and therefore the dynamics remain unaffected. We derive a generalized expression for the survival probability combining independent pairs and size scaling assumptions, but no assumption is made regarding the kinetic rate of the excimer formation process. By fitting the numerically determined normalized fluorescence emission intensities to experimental titration curves, we obtain two sets of results for the lateral diffusion coefficients depending whether interleaflet excimer association is allowed or not. We use a capture radius of 0.5 nm, the distance at which the probes react to form excimers. By relating Martini dynamics to real fluorescence experiments, we estimate the numerical Martini acceleration factor. We also study mixtures of oxidized-non oxidized DOPC and POPC bilayers using a hydroperoxidized model of these lipids for different concentrations of the oxidized component (3.1%, 25% and 50%). Using pair correlation functions, we extract structural information on the systems and determine whether the two components are prone to mixing or not. Finally, we calculate the thermodynamic mixing parameters within the framework of the virial expansion.

The open nature of Cell-Free Protein Synthesis (CFPS) systems has enabled flexible design, easy manipulation, and novel applications of protein engineering in therapeutic production, biocatalysis, and biosensors. This dissertation reports on three advances in the application of CFPS systems for 1) improving biocatalysis performance in industrial applications by site-specific covalent enzyme immobilization, 2) expressing and optimizing a difficult to express a mammalian protein in bacterial-based CFPS systems and its application for cost-effective, on-demand biosensors compatible with human body fluids, and 3) streamlining the procedure of an E. coli extract with built-in compatibility with human body fluid biosensors. Site-specific covalent immobilization stabilizes enzymes and facilitates recovery and reuse of enzymes which improves the net profit margin of industrial enzymes. Yet, the suitability of a given site on the enzyme for immobilization remains a trial-and-error procedure. This dissertation reports the reliability of several design heuristics and a coarse-grain molecular simulation in predicting the optimum sites for covalent immobilization of a target enzyme, TEM-1 ?-lactamase. This work demonstrates that the design heuristics can successfully identify a subset of favorable locations for experimental validation. This approach highlights the advantages of combining coarse-grain simulation and high-throughput experimentation using CFPS to efficiently identify optimal enzyme immobilization sites. Additionally, this dissertation reports high-yield soluble expression of a difficult-to-express protein (murine RNase Inhibitor or m-RI) in E. coli-lysate-based CFPS. Several factors including reaction temperature, reaction time, redox potential, and presence of folding chaperones in CFPS reactions were altered to find suitable conditions for m-RI expression. m-RI with the highest activity and stability was used to develop a lyophilized CFPS biosensor in human body fluids which reduced the cost of biosensor test by ~90%. Moreover, an E. coli extract with RNase inhibition activity was developed and tested which further streamlines the production of CFPS biosensors compatible with human body fluids.