Le screening de catalyseurs de Fischer-Tropsch destinés à une application en colonne à bulle, est souvent un processus long, réalisé en autoclaves. Le passage à un screening haut débit en réacteur milli-lit fixe permet de fournir des données sur l’activité et la sélectivité d’un plus grand nombre de catalyseurs en un minimum de temps. Les travaux de cette thèse s’attachent à répondre aux multiples questions que posent la comparaison d’essais réalisés en autoclaves versus milli-lit fixe. / Nowadays, catalyst screening for a Fischer-Tropsch application in slurry bubble column reactors is often a slow process, performed in small autoclave reactors. High throughput experimentation in micro packed bed reactors could accelerate it and provide activity and selectivity for a large number of catalysts, in a short time. This research thesis work aimed at addressing the numerous issues related to the comparison of results obtained in these two different reactors.

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur la recherche de nouveaux membres de la famille des dioxygénases α-cétoglutarate et fer dépendantes (α-KAO) et leur application en synthèse organique. Dans un premier, ce travail a consisté à chercher de nouvelles enzymes selon une approche génomique basée sur l’homologie de séquence et le partage d’un motif InterPro. Deux criblages haut débit avec 79 et 127 enzymes candidates ont ensuite été effectués sur des panels constitués respectivement de 23 et 36 substrats, structurellement plus ou moins proches des substrats métaboliques. Huit nouvelles α-KAO ont ainsi pu être découvertes. Parmi ces huit nouvelles α-KAO, quatre ont été étudiées plus en détail. Après optimisation des conditions de réaction pour chaque enzyme, des montées en échelle ont été réalisées pour caractériser les produits formés. A partir de ces quatre enzymes, la (3S)-3-hydroxy-L-lysine, un dérivé cyclisé de la (4R)-4-hydroxy-L-lysine, (3S)-3-hydroxy-L-ornithine et un dérivé de la (3S)-3-hydroxy-L-arginine ont pu être produits. Nous avons proposé une synthèse biocatalytique de mono et dihydroxydiamines en couplant une ou deux α-KAO avec une décarboxylase. Les (2S)-1,5-diamino-2-pentanol, 1,5-diamino-3-pentanol, (2S)-1,4-diamino-2-butanol et (2S,3S)-1,5-diamino-2,3-pentanediol ont ainsi été obtenus avec de bonnes conversions. / The work described in this manuscript deals with the search of new members of the α-ketoglutarate and Iron-dependent dioxygenases family (α-KAO) and their applications in organic synthesis. The first part of this work presents the search of new enzymes through a genomic approach based on sequence homology and InterPro motif sharing. Two high-throughput screenings with 79 and 127 candidate enzymes have been performed on 23 and 36 substrates more or less structurally close to known metabolic substrates. 8 new α-KAOs have been discovered. Among these new enzymes, four were studied in more details. After optimization of the enzymatic reaction conditions for each enzyme, scale-up allowed to obtain compounds for isolation and characterization. With these four enzymes, (3S)-3-hydroxy-L-lysine, (4R)-4-hydroxy-L-lysine as its cyclic derivative, (3S)-3-hydroxy-L-ornithine and a derivative of (3S)-3-hydroxy-L-arginine were produced. Two of the new α-KAO were combined in a cascade process to afford the (3R,4R)-3,4-dihydroxy-L-lysine as its cyclic derivative. We proposed a biocatalytic synthesis of mono and hydroxydiamines by coupling one or two α-KAO with a decarboxylase enzyme. (2S)-1,5-diamino-2-pentanol, 1,5-diamino-3-pentanol, (2S)-1,4-diamino-2-butanol and (2S,3S)-1,5-diamino-2,3-pentanediol were obtained with good overall conversions.

La variole est l'un des pires fléaux qu'ait connu l'humanité jusqu'à son éradication en 1980. Il existe aujourd'hui une menace terroriste de réémergence du virus de la variole comme arme biologique. Le manque de moyens thérapeutiques, la faible immunité de la population mondiale depuis l'arrêt de la vaccination antivariolique et les complications post-vaccinales liées à l'utilisation du vaccin réplicatif historique ont conduit ces dernières années à une intensification des recherches pour lutter contre la variole et les autres virus du genre orthopoxvirus. En complément d'assurer la production d'un nouveau vaccin antivariolique répondant aux normes sanitaires actuelles, il est indispensable de développer des molécules antivirales efficaces aux modes d'actions différents, utilisables immédiatement en cas d'attaque terroriste et pour pallier les complications post-vaccinales. L'objectif du travail de thèse est d'explorer de nouvelles stratégies thérapeutiques en ciblant plus particulièrement la réplication du virus de la vaccine, utilisé comme modèle substitutif au virus de la variole. La première stratégie est l'utilisation d'aptamères peptidiques ciblant A20, une protéine centrale du complexe de réplication formant avec l'uracile ADN glycosylase D4 le facteur de processivité pour l'ADN polymérase virale. Ces peptides sont sélectionnés in vivo en double-hybride en levure pour interagir avec une cible protéique et potentiellement l'inhiber. Ainsi nous avons sélectionné un aptamère interagissant avec une région critique de la protéine cible A20 et capable d'inhiber significativement la réplication du virus de la vaccine en culture cellulaire. La seconde stratégie est l'utilisation d'un criblage haut débit de molécules chimiques pour leur capacité à rompre les interactions entre notre cible de choix A20 et deux de ses interacteurs connus, la protéine D4 et la primase/hélicase D5, par une approche basée sur l'utilisation de deux rapporteurs luciférase en levure. Nous avons démontré que deux molécules issues du criblage permettaient l'inhibition significative et spécifique de la réplication de plusieurs orthopoxvirus, in vitro. Ces travaux viennent compléter le faible arsenal thérapeutique disponible destiné à lutter contre les infections à orthopoxvirus.

Le microbiote du rumen bovin est un écosystème très diversifié et efficace pour la dégradation de substrats complexes, notamment issus de la biomasse végétale. Composé majoritairement de microorganismes non cultivés, il constitue un réservoir très riche de nouvelles enzymes d’intérêt potentiel pour les biotechnologies industrielles, en particulier les bioraffineries et la bioremédiation. Dans le cadre de cette thèse, nous avons mis en œuvre une approche de criblage fonctionnel du métagenome ruminal pour accélérer la découverte d’enzymes de dégradation des lignocelluloses, mais aussi de divers polluants synthétiques. En particulier, de nouvelles estérases capables de dégrader un insecticide de la famille des carbamates, le fenobucarb, ainsi qu’un polyuréthane commercial, l’Impranil DLN, ont pu être identifiées. De plus, le développement d’une nouvelle stratégie de criblage d’oxydoréductases nous a permis d’isoler trois enzymes bactériennes originales, très polyspécifiques, ne requérant ni cuivre ni manganèse pour dégrader différents substrats polycycliques tels que des polluants majeurs de l’industrie textile, mais aussi des dérivés de lignine. Enfin, le criblage de deux banques issues d’enrichissements in vivo et in vitro du microbiome du rumen sur paille de blé a permis d’isoler des cocktails d’enzymes lignocellulolytiques au profil fonctionnel et d’origine taxonomique différents, constitués de glycoside-hydrolases, estérases et oxydoréductases. Quinze nouveaux modules CAZy, correspondant à des familles enzymatiques jamais caractérisées, ont été identifiés. L’ensemble de ces résultats met en lumière l’immense potentiel d’innovation biotechnologique contenu dans les écosystèmes microbiens, en particulier dans le microbiote du rumen bovin / Bovine rumen microbiota is a highly diverse and efficient ecosystem for the degradation of complex substrates, especially those issued from plant biomass. Predominantly composed of uncultivated microorganisms, it constitutes a rich reservoir of new enzymes of potential interest for industrial biotechnologies, especially biorefineries and bioremediation. As part of this thesis, we used the functional screening of the ruminal metagenome to increase the discovery of enzymes able to degrade lignocelluloses, as well as different synthetic pollutants. In particular, new esterases able to degrade a carbamate insecticide, fenoucarb, and a commercial polyurethane, Impranil DLN, have been identified. Moreover, the development of a new screening strategy for oxidoreductases allowed the isolation of three original bacterial enzymes that are very polyspecific, and do not need copper nor manganese to degrade different polycyclic substrates, like major pollutants of the textile industry, as well as lignin derivatives. Finally, the screening of two libraries from in vivo and in vitro enrichments of the ruminal microbiome on wheat straw allowed the isolation of lignocellulolytic enzymatic cocktails, with different functional profiles and taxonomical origins, comprising glycoside-hydrolases, esterases and oxidoreductases. Fifteen novel CAZy modules, related to enzymatic families never characterized, were identified. All these results highlight the vast potential of microbial ecosystems, in particular the bovine rumen microbiota, for biotechnological innovation

Les conditions du corps humain ne sont pas reproduites fidèlement par la culture cellulaire traditionnelle en 2D. Dans cette thèse, des cultures cellulaires 3D sont réalisées dans une plateforme microfluidique hautement intégrée. Des cellules mammifères adhérentes sont encapsulées dans des gouttes immobilisées dans un tableau de pièges capillaires à haute densité. Dans chaque goutte, les cellules se réorganisent pour former un unique microtissu 3D et fonctionnel appelé sphéroïde. L'utilisation d'un hydrogel permet d'alonger le temps de culture et de perfuser le tableau avec des solutions aqueuses, par exemple pour de l'immuno-cyto-chimie. Un unique sphéroïde, viable, peut aussi être extrait de cette puce microfluidique. Des données quantitatives sont extraites à haut débit au niveau de la population, du sphéroïde (dizaines de miliers de sphéroïdes) et au niveau cellulaire emph{in situ} (centaines de miliers de cellules) grâce à de l'imagerie de fluorescence et au dévelopement d'un code d'analyse d'image. Une première preuve de concept a été obtenue en démontrant la viabilité, la prolifération et la fonctionalité de sphéroïdes d'hépatocytes et en les corrélant à des paramètres morphologiques. Ensuite, des aggrégats de cellules souches mésenchymales ont été produits et les hétérogénéités spatiales dans l'expression de protéines impliquées dans leurs propriétés thérapeutiques ont été étudiées. Enfin, cette technologie a été encore dévelopée pour permettre d'appliquer des conditions biochimiques différentes dans chaque goutte. La production et la culture de sphéroïdes dans cette plateforme microfluidique peut mener à des dévelopements importants dans beaucoup de domaines tels que l'analyse de la toxicité des médicaments, le criblage de médicaments à haut débit, le traitement personnalisé du cancer, l'ingénierie tissulaire ou la modélisation de maladies. / Conventional 2D cell culture fails to reproduce emph{in vivo} conditions. In this PhD thesis, 3D cell culture is implemented into a highly integrated microfluidic platform. Adherent mammalian cells are encapsulated in droplets immobilized on a high density array of capillary traps called anchors. In each droplet, the cells reorganize into a single functional 3D microtissue called spheroid. The use of an hydrogel allows to extend the culturing time in microdroplets and to perfuse the array with aqueous solutions, for instance for immuno-cyto-chemistry. A single and viable spheroid can also be selectively retrieved from the microfluidic chip. High throughput and quantitative data is extracted at the population, spheroid (tens of thousands of spheroids) and cellular level emph{in situ} (hundreds of thousands of cells) thanks to fluorescent imaging and a custom image analysis software. As a first proof of concept, the viability, proliferation and functionality of hp sh s were demonstrated and correlated with morphological parameters. Drug toxicity experiments were also performed on this liver model. Then, human mesenchymal stem cell aggregates were produced and the spatial heterogeneities of the expression of proteins involved in their therapeutic properties were investigated. Finally, this technology was further developed to enable applying different biochemical conditions in each droplet. The production and culture of spheroids in this microfluidic platform could lead to major advances in many fields such as drug toxicity, high throughput drug screening, personalized cancer treatment, tissue engineering or disease modeling.

Ces dernières décennies, on a assisté à l’augmentation du nombre de technologies et de concepts permettant l’analyse des interactions intermoléculaires. Dans ce contexte, les puces à fluorescence restent les plus fréquemment utilisées. Cependant, cette technologie bien que très sensible et multiplexée, ne permet pas d’avoir accès aux paramètres cinétiques, indispensables au calcul des constantes d’affinité et la recherche de systèmes alternatifs s’impose. Dans cette optique, la résonance plasmonique de surface par imagerie (SPRi) est considérée comme une véritable option. Cette technologie se caractérise par l’absence de marquage et permet de suivre en temps réel d’infimes variations de masses consécutives à des interactions intermoléculaires sur la surface du prisme. L’obtention de constantes d’affinité est ainsi possible. En revanche, la SPRi présente un certain nombre de limites, principalement au niveau de la sensibilité et du multiplexage. Les objectifs de la thèse ont ainsi consisté à combler en partie ces différentes limites. La chimie de greffage basée sur l’utilisation d’oligonucléotides modifiés par un thiol a permis d’améliorer le multiplexage et de déposer plus de 1000 spots par cm² sur la surface d’or du prisme. Dans le même temps, la modification de la surface avec des colloïdes d’or et des dendrimères a permis pour des interactions ADN/ADN, d’atteindre une limite de détection de 2 nM (d’où un gain de 200%). En parallèle de ces travaux, diverses applications biologiques ont été effectuées. Une première étude a consisté à rechercher des ligands spécifiques des structures G-quadruplex des télomères. Une seconde étude s’est portée sur le complexe de partition bactérien. Par des études de criblage les bases impliquées dans l’interaction avec une protéine indispensable à la partition du plasmide F chez E.coli ont été identifiées. L’ensemble de ces travaux ont montré le fort potentiel de la SPRi et les applications potentielles qui en découlent sont nombreuses. / During the last decades a large number of technologies have been developed to analyze intermolecular interactions. In this context, the fluorescence biochips remain the most frequently used. Although this technology is very sensitive and multiplexed, it does not allow access to the kinetic parameters, essential to the calculation of the constants of affinity. Therefore, the research for alternative systems is essential. In this way, the Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi) is considered as an opportunity. It is an optical detection process that can occur when a polarized light hits a prism covered by a thin metal layer. Under certain conditions free electrons at the surface of the biochip absorb incident light photons and convert them into surface plasmon waves. Perturbations at the surface of the biochip, such as an interaction between probes immobilized on the chip and targets, induce a modification of resonance conditions which can be measured. It is a label free technology which allows intermolecular interactions in real time and gives access to the kinetics parameters. However, SPRi is limited in sensitivity and multiplexing. The objectives of my PhD were to circumvent these various limits. Thus, we validated the immobilization of DNA probes on gold surface using thiol-modified oligonucleotide probes. Deposition carried out on non-modified gold surface, does not require electrical stimulation and expensive specific robotic devices. The thiol modification of the probes was shown to be very stable at room temperature, contrary to pyrrole and diazonium probes that need to be prepared just prior to their spotting. We demonstrate that thiol-modified oligonucleotide probes spotted on a gold surface of the SPRi-prisms are very robust and reproducible. We also demonstrated that this simple chemistry is compatible with high density arrays fabrication bearing more than 1000 spots using a classical spotter. Furthermore, the modification of the prism surface with gold colloids and dendrimers allowed for DNA/DNA interactions, to reach a detection limit of 2 nM. In parallel of this work, various biological applications were carried out and validate our previous developments. A first study was to screen G-quadruplex specific ligands to inhibit telomerase activity. We demonstrated that SPRi technology is particularly well adapted to the screening of interaction of small molecules with DNA probes and is sensitive enough to permit distinction between interactions with different DNA structures. The second study was on the bacterial partition complex. We study the DNA binding requirement involved in SopB-sopC specific interactions and analysed at the nucleotide level the bases involved in the binding efficiency and essential for the partition All this PhD work improved the SPRi technology and demonstrated its great potential in biological applications.

Les ARN (Acide RiboNucléique) remplissent de nombreuses fonctions clés dans le vivant. Ils peuvent être support de l'information génétique, régulateurs de celle-ci. Visualiser ces molécules au sein d'une cellule représenterait une étape importante vers une meilleure compréhension de la régulation de l'expression des gènes. Les ARN fluorogènes tels que Spinach et Mango sont des outils extrêmement prometteurs pour atteindre cet objectif. Cependant ces deux ARN fluorogènes présentent une brillance limitée. La Compartimentation in vitro assistée par microfluidique (µCIV) est un outil très prometteur dont notre groupe a démontré l’efficacité pour l’évolution d’ARN. Dans le cadre de cette thèse, la µCIV a été adaptée à la sélection d'aptamères d'ARN fluorogènes pour en améliorer les propriétés (surtout la brillance). De plus, l’utilisation conjointe du séquençage haut débit a permis l’optimisation très rapide et semi-automatisée à la fois d’aptamères mais aussi de biosenseurs fluorogènes. Ainsi, cette thèse a permis de mettre en place et d’exploiter des technologies de criblage robustes pour la découverte de nouveaux aptamères d'ARN et de biosenseurs. / RNA is a key molecule in gene expression and its regulation. Therefore, being able to monitor RNA through live-cell imaging would represent an important step toward a better understanding of gene expression regulation. RNA-based fluorogenic modules are extremely promising tools to reach this goal. To this end, two light-up RNA aptamers (Spinach and Mango) display attractive properties but they suffer from a limited brightness. Since previous work in the group demonstrated the possibility to evolve RNA using microfluidic-assisted in vitro compartmentalization (µIVC), this technology appeared to be well suited to improve light-up aptamers properties by an evolution strategy. Therefore, the µIVC procedure was adapted to fluorogenic RNA aptamers to improve their properties (especially the brightness). Finally, using µIVC in tandem with high-throughput sequencing (NGS) allowed further developing the technology into a more integrated and semi-automatized approach in which RNAs and biosensors are selected by µIVC screening and the best variants identified by a bioinformatics process upon NGS analysis. To summarize, this thesis allowed establishing robust µIVC screening workflows for the discovery of novel efficient light-up RNA aptamers as well as metabolites biosensors.

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L'ARN interférence est un mécanisme d'inhibition post-transcriptionnel, capable de réguler l'expression des gènes. Ce mécanisme endogène, activé par l'intermédiaire de microARN, peut être détourné après transfection de cours fragments d'ARN synthétiques, notamment les siARN. Cette technique autorise ainsi le ciblage spécifique de l'ensemble des gènes composant le génome, dont l'extinction transitoire permet d'étudier à la fois leurs fonctions, mais aussi de découvrir de nouvelles cibles thérapeutiques ou de nouveaux biomarqueurs. Ce très fort potentiel pour la recherche in vitro se retrouve également in vivo, où l'ARN interférence peut être directement utilisé comme agent thérapeutique pour des situations pathologiques telles que les cancers, les infections ou les maladies systémiques. Cependant, la délivrance intra-cytoplasmique des ARN interférents exogènes est nécessaire pour déclencher ce mécanisme de régulation. À l'heure actuelle, en dépit de nombreuses méthodes de transfection développées dans la littérature, cette étape de délivrance reste une limite importante selon les applications envisagées.En ce sens, ces travaux de thèse ont permis de développer un nouveau vecteur à base de nanoparticules lipidiques cationiques, les cLNP, dédié à la transfection cellulaire de siARN. Cette formulation de cLNP a été adaptée, à l'aide d'un plan d'expérience, d'une formulation neutre de LNP permettant l'encapsulation de molécules lipophiles pour des applications en imagerie de fluorescence et/ou de délivrance de médicaments liposolubles. Les caractérisations physico-chimiques des particules cLNP ont démontré une très forte stabilité colloïdale, à la fois pour dans les tampons aqueux et dans les milieux de culture cellulaire complémentés par du sérum. En outre, ces nano-vecteurs se sont avérés extrêmement efficaces pour établir et conserver des liaisons électrostatiques avec des siARN, permettant ainsi d'obtenir rapidement des complexes démontrant une stabilité élevée dans le temps. Les efficacités d'inhibition fonctionnelle de ces nanoparticules ont été testées avec succès sur 3 lignées cellulaires différentes (PC3, HeLa et U2OS). L'ensemble des résultats obtenus confirme le fort potentiel de ce nouveau nano-vecteur, en termes d'inhibition fonctionnelle et d'absence de cytotoxicité, et le positionne parmi les meilleurs agents de transfection commerciaux testés. Ces caractéristiques sont complétées par des capacités de multi-modalité, dont la possibilité d'encapsuler dans le cœur des particules des drogues ou des fluorophores lipophiles. Enfin, des tests préliminaires réalisés sur des cellules considérées comme difficile à transfecter (cellules primaires, cellules non-adhérentes, neurones), ou sur des structures cellulaires tridimensionnelles plus complexes, ouvrent de nouvelles perspectives extrêmement prometteuses. / L'auteur n'a pas fourni de résumé en anglais

Les CDK/cyclines jouent un rôle majeur dans la progression du cycle cellulaire et dans le maintien de la prolifération des cellules cancéreuses, constituant ainsi des biomarqueurs clés et des cibles pharmacologiques attractives. Plus particulièrement, l’activité de CDK4/cycline D, kinase responsable de la progression de la phase G1 et de la transition G1/S, est dérégulée dans de nombreux cancers dont le mélanome. Cette hyperactivation est associée à des mutations, à l’amplification ou à la surexpression de CDK4, cycline D, p16INK4a ou encore pRb.Comme aucune approche sensible et directe n’existe pour évaluer l’activité de CDK4/cycline D dans des conditions physiologiques et pathologiques, le premier objectif de ma thèse a consisté à développer un biosenseur fluorescent permettant d’étudier cette kinase in vitro et in cellulo. Une fois caractérisé et validé in vitro, le biosenseur a été appliqué à la détection d’altérations de CDK4/cycline D dans des biopsies de peau humaine et de xénogreffes de mélanome dans des essais fluorescents d’activité kinase, ainsi que dans des cellules cancéreuses vivantes par microscopie de fluorescence et vidéo microscopie.Par ailleurs, peu d’inhibiteurs sont actuellement disponibles pour inhiber CDK4/cycline D et la plupart d’entre eux ciblent la poche de fixation de l’ATP. C’est pourquoi le second objectif de ma thèse a consisté à identifier des inhibiteurs non compétitifs de l’ATP, soit par élaboration rationnelle de peptides, soit par criblage de petites molécules. A cette fin, deux biosenseurs fluorescents ont été développés qui permettent d’identifier respectivement des composés ciblant l’interface entre CDK4 et cycline D ou des inhibiteurs allostériques capables de perturber la dynamique conformationnelle de CDK4. Des essais de criblage par fluorescence réalisés avec ces biosenseurs ont conduit à l’identification de touches qui ont été validées et caractérisées in vitro et dans des essais de prolifération cellulaire, et qui constituent des candidats prometteurs pour une chimiothérapie sélective du mélanome. / CDK/cyclins play a central role in coordinating cell cycle progression, and in sustaining proliferation of cancer cells, thereby constituting established cancer biomarkers and attractive pharmacological targets. In particular, CDK4/cyclin D, which is responsible for coordinating cell cycle progression through G1 into S phase, is a relevant target in several cancers including melanoma, associated with mutation of CDK4, cyclin D, p16INK4a and pRb.As there are no sensitive and direct approaches to probe CDK4/cyclin D activity in physiological and pathological conditions, the first goal of my thesis has consisted in engineering a fluorescent biosensor to probe this kinase in vitro and in cellulo. Once characterized and validated in vitro, the biosensor was applied to detect CDK4/cyclin D alterations in biopsies from human skin and melanoma xenografts in fluorescence-based activity assays, and in living cancer cells by fluorescence microscopy and timelapse imaging.Moreover, only few inhibitors are currently available to target CDK4/cyclin D and most of them bind the ATP pocket. As such, the second major goal of my thesis project has consisted in identifying non-ATP competitive inhibitors, either through rational design of peptides or by screening small molecule libraries. To this aim, two fluorescent biosensors were engineered which discriminate compounds that target the interface between CDK4 and cyclin D, or that perturb the conformational dynamics of CDK4, respectively, from ATP-pocket binding compounds. Fluorescence-based screening assays performed with these biosensors lead to identification of hits, which were validated and characterized in vitro and in cell proliferation assays, and which constitute promising candidates for selective chemotherapy in melanoma.