Une des clés pour comprendre les mécanismes d’action biologiques des molécules naturelles et thérapeutiques est leur faculté à incorporer ou traverser les membranes lipidiques. Parce que les méthodes expérimentales sont parfois couteuses et répondent partiellement aux questions posés par les interactions composé-membrane, la modélisation moléculaire est devenue une sérieuse alternative. Les simulations de dynamique moléculaire ont ouvert de nombreuses perspectives ces dernières années en offrant la possibilité de décrire ces interactions intermoléculaires au niveau atomique. À l’aide de ces simulations, nous avons évalué la capacité de plusieurs composés (polyphénols, vitamines E et C, plantazolicine et carprofènes) à s’incorporer dans les membranes. Ces molécules ont été choisies pour leurs activités biologiques diverses, à savoir (i) activité antioxydante, précisément inhibition de la peroxydation lipidique, (ii) activité antibiotique et possibilité de former un pore transmembranaire, et (iii) inhibition d’enzymes impliquées dans la maladie d’Alzheimer. Leurs positions et orientations ainsi que leur capacité à s’accumuler ou à traverser les membranes ont été évaluées pour comprendre leurs mécanismes d’action.Dans le but d’utiliser les simulations de dynamique moléculaire en drug design, l’accent a été mis sur la précision des calculs, qui dépend de la qualité sous-jacente du modèle utilisé. En corrélant données expérimentales et théoriques, la méthodologie de nos modèles a été systématiquement revisitée. Le choix du champ de force, les paramètres des composés étudiés ainsi que la composition de la membrane sont en particulier apparus comme d’importants facteurs dans la description des interactions entre les molécules naturelles et thérapeutiques et les membranes. Des mélanges de lipides contenant du cholestérol ont notamment été utilisés et ont montré un impact significatif sur les résultats obtenus. / One of the key lockers to understand mechanisms of biological action of drugs and natural compounds is their capacity to incorporate/cross lipid bilayer membranes. In the light of demanding experimental techniques, in silico molecular modelling has become a powerful alternative to tackle these issues. In the past few years, molecular dynamics (MD) has opened many perspectives, providing an atomistic description of the related intermolecular interactions. Using MD simulations, we have explored the capacity of several compounds (polyphenols, vitamins E and C, plantazolicin, carprofens) to incorporate lipid bilayer membranes. The different compounds were chosen according to their different biological functions, namely (i) antioxidant activity against lipid peroxidation, (ii) antimicrobial activity with the possibility of trans-membrane pore formation, and (iii) inhibition of enzymes involved in Alzheimer’s disease. In order to rationalize their mechanisms of action, their position and orientation in membranes as well as their capacity to accumulate or permeate lipid bilayers were assessed. Having in mind a predictive purpose in drug design for MD simulations, the accuracy of the results relies on the quality of the in silico membrane models. By ensuring relationships between experimental and theoretical data, methodological improvements have been proposed. In particular, force field selection, xenobiotic parameterization and bilayer constitution emerged as crucial factors to appropriately depict drug-membrane interactions. For the latter issue, lipid mixtures e.g., including cholesterol have been developed.

Cette thèse porte sur la mise en œuvre de procédés innovants d'extraction de composés naturels bioactifs de plantes. Nous avons considéré ici l'extraction d'un composé anti-oxydant, l'acide rosmarinique, à partir du végétal mélisse (Melissa officinalis L.), qui contient également d'autres composés d'intérêt (citral et caryophyllène). Différentes techniques d'extraction-purification, soit à haute pression (extraction au CO2 supercritique) ou à pression atmosphérique (extraction Soxhlet, extraction batch, nanofiltration etc.) ont été envisagées. L'objectif de ce travail a été d'étudier expérimentalement l'influence des paramètres opératoires (débit, composition et concentration du solvant, taille des particules, pression et température) sur la cinétique des processus afin de sélectionner les meilleures conditions pour chaque opération. Les résultats expérimentaux ont été ensuite comparés avec plusieurs modèles mathématiques décrivant les phénomènes de transfert de masse et l'écoulement au travers du milieu poreux constitué par la matière végétale broyée. Cette démarche, à partir de la détermination des paramètres physiques du modèle, a fourni les éléments pour une extrapolation potentielle à l'échelle industrielle. Du point de vue du procédé complet d'extraction-purification, l'originalité du travail a été de proposer plusieurs scénarii d'enchainement d'opérations, couplant en synergie des opérations conventionnelles à pression atmosphériques (macération, nano-filtration etc.) et des opérations de traitement au CO2 supercritique avec co-solvant. / This thesis deals with the extraction of natural bioactive compounds from plants (case study with Lemon Balm (Melissa officinalis L.)) by using different separation techniques at high (supercritical extraction) and atmospheric pressure (Soxhlet extraction, batch extraction, nanofiltration etc.). The influence of main operational parameters (solvent composition and flow rate, particle size of the raw material, pressure, temperature) on the process kinetics is studied experimentally with the aim to determine appropriate operational conditions for better extraction. The experimental results are confronted to a number of mathematical models in order to estimate the applicability of different theoretical concepts to the particular process and to select and apply appropriate models for determination of important parameters, characterizing the mass transfer process and necessary for scale-up and design purposes. Coupling between different separation methods is also considered and a number of integrated process schemes are proposed resulting in better yield of the targeted compounds.

La contamination des aliments par les mycotoxines est une source très importante de gaspillage de nourriture. Depuis des années, la stratégie classique pour lutter contre ces contaminants est l’utilisation de pesticides. Cependant, il a été montré que ces produits pouvaient avoir des effets nocifs sur la biodiversité et la santé humaine et animale. Il est donc nécessaire de développer de nouvelles stratégies, plus écologiques, pour lutter contre les mycotoxines. L’utilisation de produits naturels pourrait représenter une alternative intéressante et plus respectueuse de l’environnement. En effet, certains produits naturels sont capables d’inhiber la production de mycotoxines. Cependant, le mécanisme d’action mis en jeu est souvent mal compris. Un des objectifs principaux de ce travail a consisté à identifier des produits naturels capables d’inhiber la production de mycotoxines et d’élucider leur mécanisme d’action moléculaire. Pour ce faire, un outil moléculaire a été conçu pour comprendre les mécanismes permettant à des produits naturels d’inhiber la production d’Aflatoxine B1 (AFB1) chez Aspergillus flavus. L’étude de cette mycotoxine est importante puisque c’est un cancérigène puissant chez l’homme et les animaux. Un outil moléculaire permettant l’analyse simultanée de l’expression de 60 des principaux gènes impliqués dans la synthèse de l’aflatoxine B1 par q-*-PCR a été développé. Il permet d’étudier l’ensemble des gènes du cluster d’AFB1 mais également 33 autres gènes codant pour des facteurs de régulation liés à l’environnement dans lequel se trouve la moisissure. Par cette approche, le mécanisme d'action moléculaire de l’eugénol et la pipérine, ainsi que celui de 3 extraits naturels de plantes a été identifié et l'impact de ces composés sur les gènes impliqués dans la production d'AFB1 a été élucidé. L'un des principaux résultats de cette étude a été de montrer que les différents produits naturels modulent systématiquement plusieurs gènes au cours de l'inhibition de la production d’AFB1. Notre étude montre que les produits naturels représentent une alternative possible pour limiter la contamination des aliments par l’AFB1. L'élucidation du mécanisme d'action des produits naturels ouvre de nouvelles perspectives sur les méthodes à employer pour inhiber la production de la toxine. / Mycotoxin’s contamination represents an important source of food spoilage that has to be taken in consideration. For years pesticides, have been used as a common strategy to combat mycotoxin contamination. However, such products were also demonstrated to be harmful to humans and animals’ health. Therefore, it is necessary to find new strategies in order to avoid mycotoxin contamination and the use of natural products could be a promising alternative. Indeed, these compounds may be eco-friendly and several of them are demonstrated aseffective agents against toxin production. Nevertheless, their precise mechanism of action is poorly documented. One of the principal aim of this work consisted in the identification of natural sources capable to inhibit mycotoxin production and in the elucidation of their molecular mechanism of action. For that, we developed a molecular tool aiming the analysis of the impact of natural extracts on the expression of several genes related to Aflatoxin B1 synthesis in Aspergillus flavus. The study of this mycotoxin is an important issue since it is one of the most dangerous compounds inducing cancer in humans and animals. Taking advantage of the well-studied genome of Aspergillus flavus and considering that AFB1 production involves a great number of genetic elements, a q-PCR approach including 60 of the principal genes involved in toxin biosynthesis was developed. This tool simultaneously studies the entire AFB1 gene cluster but also 33 regulatory factors coding for external stimuli to which fungus is exposed. Using this molecular approach, the study of already known but also, new sources of anti-aflatoxigenic compounds was performed. The molecular mechanism of action of 2 isolated molecules and 3 whole plant extracts were determined and the impact of these compounds on the genes involved in AFB1 production was analysed. One of the innovative findings consisted in the demonstration that natural products systematically modulate several genes within AFB1’s inhibition. Taken together, our approach demonstrated that the use of natural products against mycotoxin production can represent an alternative strategy to inhibit food contamination. The elucidation of the mechanism of action of natural products allowed a better understanding of the fungal machinery through which toxin can be inhibited.

Le développement de salissures marines (ou biofouling) est à l’origine de nombreux problèmes économiques et écologiques. Ces salissures marines sont constituées de microorganismes (bactéries, microalgues…) formant le microfouling sur lequel va se développer le macrofouling constitué de macroorganismes tels que les algues, coquillages et éponges. La formation de ces salissures va induire un ralentissement des navires provoquant une surconsommation de carburant. De plus, l’utilisation de revêtements antisalissures ou peintures antifouling à base de métaux lourds et de biocides dans le passé a conduit à des problèmes environnementaux. L’objectif de la thèse est de rechercher une alternative aux composés actuellement utilisés (cuivre) en respectant le milieu marin. L’environnement est une source d’inspiration, une approche biomimétique pourrait être une stratégie de lutte efficace contre le biofouling. Dans une première partie, un criblage d’une centaine de composés est réalisé contre des souches bactériennes. Huit composés issus des deux familles : les batatasins et les hemibastadins sont étudiées en vue de comprendre leurs modes d’action. Parmi les composés sélectionnés, la famille des hemibastadins comprenant le DiBromoHemiBastadin-1 (DBHB) a montré des propriétés antifouling prometteuses. En effet, cette molécule est capable d’inhiber 50 % la formation du biofilm avec une IC50= 6,44 µg/mL pour la bactérie Pseudomonas aeruginosa PAO1 et une IC50 = 12,8 µg/mL pour la bactérie marine Paracoccus sp. 4M6. Afin de comprendre le mode d’action de cette molécule, son impact sur la communication bactérienne, le quorum sensing est étudié et le composé DBHB est capable de l’inhiber. Dans une seconde partie, un autre groupe d’organismes participant au microfouling est étudié : les microalgues. Afin d’évaluer l’impact de composés de la famille des hemibastadins et notamment du DBHB, l’adhésion et la formation de biofilm de microalgues sont étudiées. Le DBHB montre des inhibitions de l’adhésion et de la formation du biofilm uniquement envers la diatomée Cylindrotheca closterium. Une dernière partie, s’est intéressée à l’évaluation de revêtements contenant six composés de la famille des batatasins et des hemibastadins sur le microfouling naturel. Une méthode d’immersion de revêtements en conditions contrôlées (photobioréacteur) est mise au point afin de pallier aux contraintes environnementales. L’ensemble de cette étude a permis de mettre en évidence les propriétés antifouling du DBHB et de caractériser son mode d’action. Ce composé offre d’intéressantes voies d’étude dans la lutte contre le biofouling. De plus, l’approfondissement des connaissances sur les procédés d’adhésion et de formation de biofilm de microalgues permet de définir de nouvelles stratégies de lutte. / Biofouling induces important economic and ecological problems. This phenomenon includes microorganisms (bacteria, microalgae…) giving the microfouling which allows the macrofouling development with algae, invertebrates and sponges. These organisms colonize every immersed surface as boat hull. The colonization induces reduced speed of ships and fuel overconsumption. In the past, the utilization of AF coatings with heavy metals or pesticides caused environmental problems. The purpose of the study is to find an alternative to AF compounds (copper) respecting the marine medium. The marine environment is an inspiration; a biomimetic approach could be an interesting strategy to inhibit biofouling. In a first part, a screening of one hundred compounds is realized against marine and terrestrial bacteria. Eight molecules from two families (batatasins and hemibastadins) are studied to understand the way of action. Among selected compounds, Dibromohemibastadin-1 (DBHB) from hemibastadin family shows promising AF activities. This molecule is able to inhibit the biofilm formation with an IC50 of 6,44 µg/mL against the bacterium Pseudomonas aeruginosa PAO1 and 12,8 µg/mL for the marine bacterium Paracoccus sp. 4M6. To identify the way of action of DBHB, the impact on the bacterial communication named quorum sensing is investigated. The molecule shows an anti-quorum sensing property. In a second part, another group participating at microfouling is studied: microalgae. In order to evaluate the impact of hemibastadin family in particular DBHB, microalgae adhesion and biofilm formation are characterized. DBHB induces inhibition only on the adhesion and the biofilm formation of the diatom Cylindrotheca closterium. The last part presents the formulation of coatings containing six compounds from the batatasin and hemibastadin families. These coatings have been immersed in a harbor to evaluate the impact on natural microfouling. Furthermore, a new method for the evaluation of AF coatings is developed in controlled conditions, in a photobioreactor. This method allows the evaluation of coatings on the formation of a mixed biofilm (bacteria and microalgae). This method has been established to avoid environmental constraints by immersion in natural condition. This study allows the characterization of the AF property of DBHB. This compound provides promising research path to limit biofouling. Moreover, the development of a test allowing adhesion and microalgae biofilm formation in dynamic condition improves the characterization of compounds activities.