Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce document est consacré à l’étude de quelques écoulements de fluides complexes appliquée à la micro-fluidique. Deux études indépendantes sont effectuées : d’une part l’étude des mélanges de fluides Newtoniens dans des micro-canaux fins, et d’autre part l’étude d’écoulements de Micelles géantes (fluides non-Newtoniens). Dans chaque étude on traite tout d’abord des modèles en détail, puis on effectue une étude numérique des modèles en question. Dans la première partie nous traiterons de l’hydrodynamique de mélanges de fluides de différentes viscosités en régime de Stokes. Nous dériverons alors un modèle réduit de type Reynolds à partir du modèle complet de Stokes. Cette réduction de modèle est particulièrement adaptée à des écoulements dans des micro-canaux dont le rapport d’aspect largeur/hauteur est important. Les modèles obtenus au final peuvent être 2D ou bien 2.5D (2D pour la pression 3D pour le mélange) selon que l’on souhaite ou non prendre en compte les variations de viscosité dans la direction ”?ne”. De plus, les conditions aux limites en haut et au fond du canal pour le modèle complet (canal à reliefs, motifs de matériaux glissants) apparaissent dans le modèle réduit comme de simples coefficients de résistance à l’écoulement. Un résultat d’existence de solution est donné pour le modèle 2D. Une méthode numérique est alors donnée pour approcher ces modèles. Cette méthode numérique est basée sur une discrétisation des équations sur une grille cartésienne, ce qui permet une résolution rapide des systèmes linéaires obtenus après discrétisation. Deux études numériques sont alors menées, tout d’abord une étude de l’inter-diffusion de deux fluides dont les viscosités sont différentes dans des expériences dites de ”co-flow”, puis une autre étude sur des écoulements mono-fluides pour des canaux à reliefs et à surfaces glissantes utilisant des modèles 2.5D adaptées. La deuxième partie de ce document est consacrée à l’étude d’écoulements micro-fluidiques de micelles géantes en solution. Ce type particulier de fluide a tendance à former spontanément dans l’écoulement des phases dont les propriétés mécaniques peuvent être très différentes. (...) Cette étude a permis en particulier de déterminer le rôle exact de la diffusion dans le modèle. Une deuxième étude concernant des écoulements 3D dans des jonctions micro-fluidiques en T a permis de mieux comprendre les phénomènes étranges observés sur la répartition des débits dans les branches de sortie de ces jonctions. / Abstract

L'étude de la dynamique des parois de domaines dans les nano-systèmes ferromagnétiques est cruciale pour le développement des dispositifs de stockage de l'information basés sur le déplacement et le contrôle des parois. Ces dispositifs ont plusieurs avantages : non-volatilité, rapidité d'exécution, haute densité de stockage, et faible consommation de l'énergie. En utilisant des méthodes micro-magnétiques et analytiques, nous avons constaté que l'interaction entre deux parois affectait les processus de dépiégeage sous champ magnétique, dans des nanofils en nickel à géométrie cylindrique et planaire. Nous avons mis en évidence des comportements non linéaires de la dynamique d'une paroi piégée, qui varient selon le matériau et le type de piège utilisé. Les diagrammes de phases représentant l'exposant de Lyapunov ont permis la distinction entre des zones chaotiques et périodiques, en fonction de la fréquence et de l'amplitude d'une excitation harmonique. Nous avons présenté des résultats sur la manipulation précise d'une paroi transverse sous impulsions de courant dans un nanofil planaire en nickel, structuré par une multitude de défauts artificiels. Nous avons montré que le positionnement exact de la paroi à température ambiante est possible uniquement pour des impulsions symétriques de très courte durée. Des effets inertiels pouvant s'opposer au couple de transfert de spin, ou au contraire l'amplifier ont été observés. Ces derniers résultats ouvrent une route vers le déplacement des parois dans les deux directions par des impulsions unipolaires de courant. / The study of the domain wall dynamics in ferromagnetic nano-systems is crucial for the developement of data-storage devices based on control and displacement of the domain walls. These devices have several advantages : non-volatility, fast execution time, high density, and low power consumption. Using micromagnetics and analytical methods, we have shown that the interaction between two domain walls influences the depinning process under magnetic field, in cylindrical and planar shaped nickel nanowires. We highlighted the nonlinear behaviour of the dynamics of a pinned domain wall, which varies with the material properties and the type of the pinning sites. The Lyapunov phase diagrams display chaotic and periodic regions function of the amplitude and frequency of a harmonic excitation. We have also presented results about the precise manipulation of transverse domain walls by current pulses in a nickel planar nanowire with artificial defects. We have shown that exact positioning of the domain walls at room temperature is possible only for very short symmetric current pulses. We observed inertial effects which can oppose or amplify the spin transfert torque effect. These results open a route to domain wall displacement in both directions with unipolar current pulses.

Les modèles de Markov cachés (MMC) par exemple ceux de la librairie Pfam sont des outils très populaires pour l'annotation des domaines protéiques. Cependant, ils ne sont pas toujours adaptés aux protéines les plus divergentes. C'est notamment le cas avec Plasmodium falciparum (principal agent du paludisme chez l'Homme), où les MMC de Pfam identifient peu de familles distinctes de domaines, et couvrent moins de 50% des protéines de l'organisme. L'objectif de cette thèse est d'apporter des méthodes nouvelles pour affiner la détection de domaines dans les protéines divergentes.Le premier axe développé est une approche d'identification de domaines utilisant leurs propriétés de co-occurrence. Différentes études ont montré que la majorité des domaines apparaissent dans les protéines avec un ensemble très réduits d'autres domaines favoris. Notre méthode exploite cette propriété pour détecter des domaines trop divergents pour être identifiés par l'approche classique. Cette détection s'accompagne d'une estimation du taux d'erreur par une procédure de ré-échantillonnage. Chez P. falciparum, elle permet d'identifier, avec un taux d'erreur estimé inférieur à 20%, 585 nouveaux domaines dont 159 familles étaient inédites dans cet organisme ce qui représente 16% du nombre de domaines connus.Le second axe de mes recherches présente plusieurs méthodes de corrections statistiques et évolutives des MMC pour l'annotation d'organismes divergents. Deux types d'approches ont été proposées. D'un côté, nous intégrons aux alignements d'apprentissage des MMC, les séquences précédemment identifiés dans l'organisme cible ou ses proches relatifs. La limitation de cette solution est que seules des familles de domaines déjà connues dans le taxon peuvent ainsi être identifiées. Le deuxième type d'approche contourne cette limitation en corrigeant tous les modèles par une prise en compte de l'évolution des séquences d'apprentissage. Pour cela, nous faisons appel à des techniques classiques de la bioinformatique et de l'apprentissage statistique. Les résultats obtenus offrent un ensemble de prédictions complémentaires totalisant 663 nouveaux domaines supplémentaires dont 504 familles inédites soit une augmentation de 18% à ajouter aux précédents résultats. / Hidden Markov Models (HMMs) from Pfam database for example are popular tools for protein domain annotation. However, they are not well suited for studying highly divergent proteins. This is notably the case with Plasmodium falciparum (main causal agent of human malaria), where Pfam HMMs identify few distinct domain families and cover less than 50% of its proteins. This thesis aims at providing new methods to enhance domain detection in divergent proteins.The first axis of this work is an approach of domain identification based on domain co-occurrence. Several studies shown that a majority of domains appear in proteins with a small set of other favourite domains. Our method exploits this tendency to detect domains escaping to the classical procedure because of their divergence. Detected domains come along with an false discovery rate (FDR) estimation computed with a shuffling procedure. In P. falciparum proteins, this approach allows us identify, with an FDR below 20%, 585 new domains with 159 families that were previously unseen in this organism which account for 16% of the known domains.The second axis of my researches involves the development of statistical and evolutionary methods of HMM correction to improve the annotation of divergent organisms. Two kind of approaches are proposed. On the one hand, the sequences previously identified in the target organism and its close relatives are integrated in the learning alignments. An obvious limitation of this solution is that only new occurrences of previously known families in the taxon can be discovered. On the other hand, we evade this limitation by adjusting HMM parameters by simulating the evolution of the learning sequences. To this end, classical techniques from bioinformatics and statistical learning were used. Alternative libraries offer a complementary set of predictions summing 663 new domains with 504 previously unseen families corresponding to an improvement of 18% to add to the previous results.

L'étude de la composition des protéines en domaines est une étape clé pour la détermination de ses fonctions. Pfam est l'une des banques de domaines les plus répandues où chaque domaine est représenté par un HMM profil construit à partir d'un alignement multiple de protéines contenant le domaine. La méthode classique de recherche des domaines Pfam consiste à comparer la séquence cible à la librairie complète des HMM profils pour mesurer sa ressemblance aux différents modèles. Cependant, appliquée aux protéines d'organismes divergents, cette méthode manque de sensibilité. L'objectif de cette thèse est d'apporter de nouvelles méthodes pour améliorer le processus de prédictions des domaines plus adaptées à l'étude des protéines divergentes. Les premiers travaux ont consisté en l'adaptation et application de la méthode CODD, récemment proposée, à l'ensemble des pathogènes de la base de données EuPathDB. Une base de données nommée EupathDomains (http://www.atgc-montpellier.fr/EuPathDomains/) recensant l'ensemble des domaines connus et ceux nouvellement prédits chez ces pathogènes a été mise en place à l'issue de ces travaux. Nous nous sommes ensuite attachés à proposer diverses améliorations. Nous proposons un algorithme ''CODD_exclusive'' qui utilise des informations d'incompatibilité de domaines pour améliorer la précision des prédictions. Nous proposons également une autre stratégie basée sur l'utilisation de règles d'association pour la détermination des co-occurrences de domaines utilisées dans le processus de certification. La dernière partie de cette thèse s'intéresse à l'utilisation des méthodes profil/profil pour annoter un génome entier. Couplée à la procédure d'annotation par co-occurrence, cette approche permet une amélioration notable en termes de nombre de domaines certifiés et également en termes de précision. / The determination of protein domain composition provides strong clues for the protein function prediction. One of the most widelyused domain scheme is the Pfam database in which each family is represented by a multiple sequence alignment and a profileHidden Markov Model (profile HMM). When analyzing a new sequence, each Pfam HMM is used to compute a score measuring the similarity between the sequenceand the domain. However, applied to divergent proteins, this strategy may miss several domains. This is the case for all eukaryotic pathogens, where noPfam domains are detected in half or even more of their proteins.The main objective of this thesis is to develop methods to improve the sensitivity of Pfam domain detection in divergent proteins. We first adapted the recently proposed CODD method to the whole set of pathogens in EupathDB. A public database named EupathDomains (http://www.atgc-montpellier.fr/EuPathDomains/) gathers known and new domains detected by CODD, along with the associated confidence measurements and the GO annotations.We then proposed other methods to further improve domain detection in these organisms. We proposed ''CODD_exclusive'' algorithm that integrates domain exclusion information to prune false positive domains that are in conflict with other domains of the protein. We also suggested the use of association rules to determine the correlations between domains and used these informations in the certification process.In the last part of this thesis, we focused in the use of profile/profile methods to predict protein domains in a whole genome. Combined with the co-occurrence informations, it achieved high sensitivity and accuracy in predicting domains.

L’objectif de cette étude est de modéliser et de simuler numériquement des phénomènes d’interaction fluide-structure dans un cadre compressible pour des écoulements non-visqueux. La modélisation proposée repose sur une formulation monolithique du couplage fluide-structure en considérant une unique équation permettant de résoudre simultanément le mouvement du fluide et du solide. Un terme supplémentaire dans l’équation de quantité de mouvement traduit la présence de l’obstacle dans l’écoulement. La contribution de ce terme de pénalisation est étudiée à travers l’analogie avec une formulation variationnelle et un intérêt est porté à la rigueur physique, mathématique et numérique de l’unification des deux milieux, en particulier à l’interface. L’approche numérique correspond à une méthode à pas fractionnaire, en tout point identique aux méthodes de prédiction correction utilisées en incompressible. Quelques résultats numériques clôturent ce travail et permettent de préciser les conditions d’application de ce modèle d’interaction fluide-structure en régime compressible. / This study deals with the modeling and simulation of fluid-structure interactions in a compressible framework for inviscid flows. A monolithic approach has been chosen for treating the coupling between the fluid and the solid through a single equation that solves the motion of both simultaniously. An additionnal term in the momentum equation allows to take into account the obstacle in the flow. A weak formulation is derived from previous similar works that confirms the unification problem is mathematically well-posed, especially on the interface. The numerical procedure relies on a time-splitting method similar to prediction-correction methods for incompressible flows. Some numerical examples illustrate this work and allows to conclude on the feasibility of this fluid-structure interaction model for compressible flows.

Les peptides vecteurs (CPP) présentent un grand intérêt pour l'internalisation de principes actifs dans les cellules. Les mécanismes permettant aux peptides de traverser la membrane restent sujets à discussion. Mieux comprendre leurs interactions avec la membrane pourrait permettre d'améliorer leur efficacité. L'organisation des lipides après interaction avec le peptide pénétratine a été étudiée par DSC et par fluorescence du Laurdan, sur des membranes modèles composées de lipides naturels. La pénétratine a induit de l'hétérogénéité dans la membrane, ce qui pourrait être un élément important pour déstabiliser la membrane durant son internalisation dans la cellule. En outre, le cholestérol est un régulateur parmi les plus importants des domaines membranaires. En raison de son affinité pour les lipides saturés, il peut former des domaines ordonnés. Grâce au cholestérol-pyrène, une sonde fluorescente, nous avons étudié les domaines liquides ordonnés (Lo) et désordonnés (Ld) de la membrane. Nous avons, par analyse statistique en composante principale, déterminé les longueurs d'onde d'émission caractéristiques des domaines Lo et Ld. Les peptides pénétratine, R9 et RW9 diminuent l'assemblage du cholestérol et RW9 augmente la fluidité de la membrane. RW9 a été le seul peptide capable de traverser des membranes (Ld) sur de vésicules lipidiques dans nos conditions expérimentales. Nous pouvons ainsi en déduire que la distribution des lipides dans la membrane est un factor important pour le passage des CPP. Notamment, l'interface entre les différents domaines semble jouer un rôle prépondérant pour l'internalisation. / Cell penetrating peptides are promising vectors for molecular drug delivery in eukaryotic cells. Despite of their discovery 20 years ago, the mechanisms of peptide membrane crossing are still controversial. Understanding then how they modify the membrane will allow later on a more efficient internalisation into the cell. Lipid organisation after penetratin interaction was studied by DSC and Laurdan fluorescence. Penetratin was able to induce membrane heterogeneity, which could be important for membrane destabilisation during cell internalisation. Furthermore, cholesterol is one of the most important regulators of membrane domains. Due to its strong affinity with saturated lipids, cholesterol presents the ability to form “rafts” (ordered domains). By cholesterol-pyrene, which is a probe that mimics cholesterol, we studied the liquid ordered (Lo) and liquid disordered (Ld) domains of the membrane. Firstly, we determined the wavelengths that characterise each of these domains by multivariable analysis and then, we verify the peptide effect (R9, RW9 and penetratin) in the distribution of these domains. RW9 were the only CPP able to cross the membrane (Ld). We can deduce that lipid distribution in the membrane is important for the peptide internalisation and the interfaces between these domains may play an important role during this process.

L'utilisation omniprésente des systèmes informatiques impose de s'assurer de leur bon fonctionnement. Dans ce but, les méthodes de vérification formelle permettent de suppléer les simulations qui ne peuvent être complètement exhaustives du fait de la complexité croissante des systèmes. Le model checking fait partie de ces méthodes et présente l'avantage d'être complètement automatisée. Cette méthode consiste à développer des algorithmes pour vérifier qu'une spécification exprimée la plupart du temps sous la forme d'une formule logique est satisfaite par un modèle du système. Les langages historiques de spécification utilisent comme formules atomiques des variables propositionnelles qui permettent d'exprimer principalement des propriétés portant sur les états de contrôle du modèle. Le but de cette thèse est de vérifier des propriétés plus riches portant sur diverses données manipulées par les modèles: des compteurs, des horloges ou des queues. Ces données peuvent prendre une infinité de valeurs et induisent donc des modèles avec un nombre infini d'états. Nous définissons un cadre général pour l'extension des logiques temporelles avec des contraintes permettant de comparer la valeur des variables a différents états de l'exécution. Nous établissons des résultats de décidabilité et complexité pour des problèmes de model checking impliquant diverses instances de ces extensions. Nous privilégions pour cela l'approche à base d'automates en combinant des constructions connues pour les logiques propositionnelles classiques avec des méthodes d'abstraction des modèles dont les variables sont interprétées dans des domaines infinis.

L'objectif de mon doctorat est de développer une méthode d'analyse des séquences protéiques permettant de cribler, le plus efficacement possible, les alignements non significatifs produits par le logiciel PSI-BLAST afin d'identifier des relations d'homologies lointaines. La stratégie développée repose sur deux étapes de criblage, une première s'appuyant sur les prédictions de structures secondaires, une seconde tirant profit du développement récent de méthodes de comparaison profil/profil performantes. La méthode développée a été initialement calibrée sur une base de données de séquences particulière. Cette base rassemble des séquences de domaines dont les structures sont connues permettant ainsi de contrôler l'existence effective d'homologues lointains. Cette phase a permis d'établir les seuils de détection optimaux permettant une utilisation semi-automatique du programme. Dans une seconde phase, la méthode a été testée sur un ensemble de 100 protéines impliquées dans la signalisation et la réparation des dommages de l'ADN. Au travers de différents exemples, nous montrons les potentialités du programme développé pour des recherches d'homologies lointaines à grande échelle. En particulier, mon étude suggère une nouvelle hypothèse pour comprendre l'origine d'une maladie rare, le syndrome de Nijmejen, provoqué par une mutation dans la protéine Nbs1.

Nous nous intéressons aux méthodes permettant d'approcher les solutions de systèmes d'équations aux dérivées partielles conservatives. Dans les cas où l'écoulement est très<br />complexe - lorsqu'il y a plusieurs modèles physiques à calculer sur des zones difficiles à délimiter, on utilise des méthodes de couplage par recouvrement de domaine. <br />Nous présentons ici un algorithme, nouveau et performant, calculé grâce à une superposition de deux maillages correspondant à deux schémas différents. On utilise des projections conservatives de la solution d'un maillage vers l'autre.<br />Cette méthode de décomposition de domaine ne fait<br />pas intervenir de conditions aux limites artificielles. Elle est basée sur une régularisation de la fonction de Heaviside sur la zone de couplage. Elle est parfaitement conservative et donc bien indiquée pour l'étude des lois de conservation. <br />L'analyse mathématique est réalisée pour les problèmes hyperboliques, dans le cas scalaire multidimensionnel. Elle est basée sur le convergence des schémas volumes finis. Tout d'abord, on obtient la convergence de la solution mesure grâce aux travaux de Diperna, puis on estime l'erreur de convergence en $h^(^1/_4)$. Une nouvelle estimation de type $H^1$ faible permet d'estimer les erreurs induites par le couplage.<br />De nombreuses applications numériques en mécanique des fluides avec les tubes à chocs et de détente montrent que la méthode est très stable et conservative. Nous utilisons aussi la méthode sans grille appelée Smooth Particule Hydrodynamics - plus précisément sa nouvelle variante renormalisée - pour calculer la création d'un jet en couplant la méthode volumes finis à la méthode SPH. On montre ainsi la robustesse de l'algorithme de couplage et sa souplesse pour le calcul des écoulement complexes. <br />Cette étude à fait l'objet d'une collaboration avec l'équipe du Pr. D. Kröner de l'Institut des Mathématiques Appliquées à l'Université de Frieburg (Allemagne).