Depuis son introduction en 1997 par le groupe de RM Caprioli, l'analyse directe sur tissus et l'imagerie par spectrométrie de masse sont devenues des méthodes complémentaires des techniques « classiques » de protéomique. L'analyse directe sur tissus permet la détection de plusieurs centaines de molécules, tout en maintenant l'intégrité des tissus. Par l’automatisation de cette approche, des images moléculaires peuvent être ainsi obtenues. Cependant, de nombreux développements restent à faire notamment sur l’amélioration de la détection des différentes classes de biomolécules incluant les lipides, les peptides et les protéines. De plus, si la localisation de molécules d’intérêt est possible, l’information structurale des protéines reste encore un challenge. Si l'identification des protéines peut être délicate par protéomique « classique » cela est encore plus vrai avec l’analyse directe sur tissus. L’approche bottom-up est à l’heure actuelle une méthode permettant la localisation de la répartition des peptides générés par digestion enzymatique in situ et leur structure par analyse en mode MS/MS. Dans la plupart des cas, la MS/MS est utilisée pour vérifier la séquence d'un peptide endogène ou obtenue après digestion mais les spectres générés par les instruments équipés d'une source MALDI sont souvent complexes à analyser en raison des différentes séries d’ions fragment obtenues au cours du processus de fragmentation. Les séries d’ions obtenues sont largement incomplètes et ne donnent accès qu’à de petites séquences. Dans le but d’améliorer l’identification des protéines en mode bottom-up pour l’imagerie par spectrométrie de masse, nous avons étudié des dérivations chimiques N-terminal de peptides. Les peptides dérivés présentent alors des fragmentations vers une série d’ions majoritaire permettant une meilleure interprétation des spectres MS/MS. Cette méthode permet d’améliorer l’identification des protéines et le séquençage de novo directement sur coupes de tissus qui sont des points importants pour l’identification de marqueurs biologiques. / Since its introduction in 1997 by the group of R.M. Caprioli, direct tissue analysis and imaging by Mass Spectrometry have now become good complementary methods of classical proteomics techniques. Direct analysis of tissues gives access to the detection of hundreds of biomolecules while maintaining tissue integrity and by automation of this approach, molecular images of biomolecules distribution can be obtained in one step analysis. However, many developments need to be undertaken especially on the improvement of the detection of different classes of biomolecules including lipids, peptides and proteins. Moreover, if the localization of molecules of interest is possible but no structural information can obtained from proteins. If proteins identification can be delicate under classical proteomics conditions this is even truer by working directly on tissues. A bottom-up strategy will allow the identification and localization of proteins after MS/MS experiments of peptides generated after in situ enzymatic digestion. In most of cases, MS/MS is used to check the sequence of an expected endogenous peptide or obtained after digestion but MS/MS but spectra generated from instruments equipped with a MALDI ion source are often complex to analyze because of the different types of fragment series generated during the fragmentation process. This is especially true on MALDI-TOF systems that frequently for which weak fragmentations (especially in the higher m/z range of the MS/MS spectrum) and to very different series of fragment ions creating largely incomplete set of series only giving access to small sequence tags are often observed. Thus, we have studied on tissue N-terminal chemical derivatization of peptides for proteins identification in Bottom-up Imaging strategies. The derivatives promote efficient charge-site initiated cleavage of backbone amide bonds and they enable the selective detection of only a single series of fragment ions. Optimization of reactions were first performed at the whole tissue section scale and then modified and adapted to allow for the derivatization to be automatically performed using a micro-spotting piezoelectric automatic deposition device. Finally, we report a whole sequence of on tissue bottom up strategy followed by automatic derivatization and show that such strategies improve protein assignment and de novo sequencing directly from tissue sections, which is a key point for on tissue direct identification of markers.

L’analyse d’échantillons du Patrimoine Culturel est primordiale pour la compréhension des techniques, la conservation des œuvres et leur restauration. Ces échantillons sont rares et précieux et l’analyse doit être effectuée sur une faible quantité de matière, ce qui nécessite le développement et l’optimisation de méthodes analytiques appropriées. L’objectif de ce travail de thèse a donc été de développer de nouvelles méthodes analytiques dans le but d’étudier les glycoprotéines et les polysaccharides de gommes végétales des échantillons du Patrimoine Culturel. Les macromolécules ont été séparées par chromatographie d'exclusion stérique et électrophorèse sur gel de polyacrylamide modifié, révélant la présence de poids moléculaires très élevés pouvant atteindre jusqu’à 1 à 2 millions de Dalton. Une stratégie analytique innovante basée sur la spectrométrie de masse a permis d’obtenir des empreintes caractéristiques de chaques gommes. La stratégie analytique développée a été appliquée avec succès sur un échantillon d'aquarelle daté de 1870 du Metropolitan Museum of Art (New York, USA). / The analysis of Cultural Heritage samples is critical for the understanding of the arstists' technique, the conservation and restoration of artworks. These objects under investigation are rare and precious and the amount of sample available for the analysis is usually very low, thus implying the development and the optimization of adapted analytical methodologies. The objective of this PhD was to develop new analytical methods to study glycoproteins and polysaccharides from plant gums in Cultural Heritage samples.These macromolecules have been separated by size exclusion chromatography and modified polyacrylamide gels, which allowed to reveal the presence of proteins with molecular weights up to 1-2 million Dalton. A novel analytical strategy based on mass spectrometry allowed to obtain the caracteristic fingerprint of each plant gum. This developed method was successfully applied on a watercolor sample dated from 1870 supplied by the Metropolitan Museum of Art (New York, USA).

Après deux chapitres introductifs, ce manuscrit est divisé en trois parties independantes. (I) Nous étudions l'influence du cisaillement sur l'agrégation de particules paramagnétiques soumises à un champ magnétique parallèle à l'écoulement. Nous montrons que les chaines formées croissent linéairement suivant un modèle utilisant l'équation de Smoluchovsky. (II) Une étude théorique est menée afin d'étendre aux situations expérimentales rencontrées en microfluidique les relations décrivant les phénomènes électrocinétiques. Les symétries entre courant d'écoulement et électroosmose sont démontrées. L'approximation de couche de Debye fine est appliquée au courant d'écoulement puis utilisée pour décrire les structures des courants électriques et hydrodynamiques dans des géométries modèles. (III) Un système d'analyse de protéines est présenté, permettant l'identification d'un mélange de protéines. Il comporte un étage de séparation électrophorétique suivi d'une digestion enzymatique.

La cellulose et ses dérivés sont utilisés dans un vaste nombre d’applications incluant le domaine pharmaceutique pour la fabrication de médicaments en tant qu’excipient. Différents dérivés cellulosiques tels que le carboxyméthylcellulose (CMC) et l’hydroxyéthylcellulose (HEC) sont disponibles sur le commerce. Le degré de polymérisation et de modification diffèrent énormément d’un fournisseur à l’autre tout dépendamment de l’origine de la cellulose et de leur procédé de dérivation, leur conférant ainsi différentes propriétés physico-chimiques qui leurs sont propres, telles que la viscosité et la solubilité. Notre intérêt est de développer une méthode analytique permettant de distinguer la différence entre deux sources d’un produit CMC ou HEC. L’objectif spécifique de cette étude de maitrise était l’obtention d’un profil cartographique de ces biopolymères complexes et ce, par le développement d’une méthode de digestion enzymatique donnant les oligosaccharides de plus petites tailles et par la séparation de ces oligosaccharides par les méthodes chromatographiques simples. La digestion fut étudiée avec différents paramètres, tel que le milieu de l’hydrolyse, le pH, la température, le temps de digestion et le ratio substrat/enzyme. Une cellulase de Trichoderma reesei ATCC 26921 fut utilisée pour la digestion partielle de nos échantillons de cellulose. Les oligosaccharides ne possédant pas de groupements chromophores ou fluorophores, ils ne peuvent donc être détectés ni par absorbance UV-Vis, ni par fluorescence. Il a donc été question d’élaborer une méthode de marquage des oligosaccharides avec différents agents, tels que l’acide 8-aminopyrène-1,3,6-trisulfonique (APTS), le 3-acétylamino-6-aminoacridine (AA-Ac) et la phénylhydrazine (PHN). Enfin, l’utilisation de l’électrophorèse capillaire et la chromatographie liquide à haute performance a permis la séparation des produits de digestion enzymatique des dérivés de cellulose. Pour chacune de ces méthodes analytiques, plusieurs paramètres de séparation ont été étudiés. / Cellulose and its derivatives are used in a wide range of applications, including the pharmaceutical industry for the manufacturing of medicines as inactive additives. Various cellulosic derivatives such as carboxymethylcellulose (CMC) and hydroxyethylcellulose (HEC) are readily available for such use. The degree of polymerization and modification differs from one supplier to the other, according to the origin of the cellulose and its process of chemical modification, conferring on them different physico-chemical properties, such as viscosity and solubility. Our interest is to develop an analytical method that can distinguish between different sources of a given CMC or HEC product. The specific objective of this master’s study was to obtain a fingerprint of these complex biopolymers by developing an enzymatic digestion method to produce smaller oligosaccharides that could be separated by simple chromatographic methods. The digestion was studied as a function of various parameters, such as the composition of the hydrolysis solution, the pH, the temperature, the duration of digestion and the substrate/enzyme ratio. A cellulase enzyme from Trichoderma reesei ATCC 26921 was used for the partial digestion of our samples of cellulose. Since these oligosaccharides do not possess a chromophore or fluorophore, they can’t be detected either by absorbance or fluorescence. It was thus necessary to work out the labeling method for oligosaccharides using various agents, such as 8-aminopyrene-1,3,6-trisulfonic acid (APTS), 3-acetylamino-6-aminoacridine (AA-Ac) and phenylhydrazine (PHN). Finally, the use of capillary electrophoresis and high performance liquid chromatography allowed the separation of the enzymatic digestion products of the cellulose derivatives (CMC and HEC). For each of these analytical separation techniques, several parameters of the separation were studied.

La cellulose et ses dérivés sont utilisés dans un vaste nombre d’applications incluant le domaine pharmaceutique pour la fabrication de médicaments en tant qu’excipient. Différents dérivés cellulosiques tels que le carboxyméthylcellulose (CMC) et l’hydroxyéthylcellulose (HEC) sont disponibles sur le commerce. Le degré de polymérisation et de modification diffèrent énormément d’un fournisseur à l’autre tout dépendamment de l’origine de la cellulose et de leur procédé de dérivation, leur conférant ainsi différentes propriétés physico-chimiques qui leurs sont propres, telles que la viscosité et la solubilité. Notre intérêt est de développer une méthode analytique permettant de distinguer la différence entre deux sources d’un produit CMC ou HEC. L’objectif spécifique de cette étude de maitrise était l’obtention d’un profil cartographique de ces biopolymères complexes et ce, par le développement d’une méthode de digestion enzymatique donnant les oligosaccharides de plus petites tailles et par la séparation de ces oligosaccharides par les méthodes chromatographiques simples. La digestion fut étudiée avec différents paramètres, tel que le milieu de l’hydrolyse, le pH, la température, le temps de digestion et le ratio substrat/enzyme. Une cellulase de Trichoderma reesei ATCC 26921 fut utilisée pour la digestion partielle de nos échantillons de cellulose. Les oligosaccharides ne possédant pas de groupements chromophores ou fluorophores, ils ne peuvent donc être détectés ni par absorbance UV-Vis, ni par fluorescence. Il a donc été question d’élaborer une méthode de marquage des oligosaccharides avec différents agents, tels que l’acide 8-aminopyrène-1,3,6-trisulfonique (APTS), le 3-acétylamino-6-aminoacridine (AA-Ac) et la phénylhydrazine (PHN). Enfin, l’utilisation de l’électrophorèse capillaire et la chromatographie liquide à haute performance a permis la séparation des produits de digestion enzymatique des dérivés de cellulose. Pour chacune de ces méthodes analytiques, plusieurs paramètres de séparation ont été étudiés. / Cellulose and its derivatives are used in a wide range of applications, including the pharmaceutical industry for the manufacturing of medicines as inactive additives. Various cellulosic derivatives such as carboxymethylcellulose (CMC) and hydroxyethylcellulose (HEC) are readily available for such use. The degree of polymerization and modification differs from one supplier to the other, according to the origin of the cellulose and its process of chemical modification, conferring on them different physico-chemical properties, such as viscosity and solubility. Our interest is to develop an analytical method that can distinguish between different sources of a given CMC or HEC product. The specific objective of this master’s study was to obtain a fingerprint of these complex biopolymers by developing an enzymatic digestion method to produce smaller oligosaccharides that could be separated by simple chromatographic methods. The digestion was studied as a function of various parameters, such as the composition of the hydrolysis solution, the pH, the temperature, the duration of digestion and the substrate/enzyme ratio. A cellulase enzyme from Trichoderma reesei ATCC 26921 was used for the partial digestion of our samples of cellulose. Since these oligosaccharides do not possess a chromophore or fluorophore, they can’t be detected either by absorbance or fluorescence. It was thus necessary to work out the labeling method for oligosaccharides using various agents, such as 8-aminopyrene-1,3,6-trisulfonic acid (APTS), 3-acetylamino-6-aminoacridine (AA-Ac) and phenylhydrazine (PHN). Finally, the use of capillary electrophoresis and high performance liquid chromatography allowed the separation of the enzymatic digestion products of the cellulose derivatives (CMC and HEC). For each of these analytical separation techniques, several parameters of the separation were studied.