Le contrôle de la transparence de la cornée dépend de l'intégrité de l'endothélium cornéen mono-stratifié qui est classiquement considéré dès la naissance, dépourvu de capacité de régénération chez l'homme. Dans des conditions pathologiques conduisant à la cécité par œdème cornéen, les pertes significatives en cellules endothéliales (CE) ne sont pas remplacée efficacement, ce qui signifie que ni de nouvelles CE provenant de cellules souches (CS), ni la division des cellules voisines des lésions ne peuvent contribuer à la régénération endothéliale. Toutefois, plusieurs travaux ont prouvé depuis 25 ans que les CE possédaient une capacité proliférative résiduelle ex vivo et deux équipes ont suggéré l'existence de CS ou de progéniteurs à la périphérie de l'endothélium cornéen. Dans notre travail de thèse, nous avons tout d'abord optimisé, en la systématisant, une technique d'immunomarquage spécialement adaptée à l'endothélium cornéen intact de cornées montées à plat. A l'issue de ces développements, nous disposons de protocoles simples de fixation à température optimale et de démasquages antigéniques susceptibles de permettre la révélation de nombreuses protéines. A partir d'une importante série de cornées humaines non conservées et d'autres conservées en organoculture, et grâce à cet outil désormais efficace, nous avons étudié le cycle cellulaire des CE et la localisation de potentielles CS sur l'endothélium cornéen humaine. Nos résultats démontrent que dans ces conditions, les CE expriment de façon homogène des régulateurs positifs (PCNA, MCM2, cycline D1, cycline E et cycline A) et des régulateurs négatifs du cycle cellulaire (P16, P27); certaines particularités ont par ailleurs pu être décrites de façon innovante, comme la localisation cytoplasmique diffuse de MCM2, paranucléaire de la cycline D1, l'absence de P21. L'ensemble des marquages pourrait suggérer que les CE sont arrêtées en fin de G1, après le point de restriction et que de nombreux mécanismes de réparation de l'ADN sont mis en jeux dans les CE exposées à un stress oxydant important tout au long de l'existence. Nous avons identifié une nouvelle organisation de la micro-anatomie de la périphérie et de l'extrême périphérie de l'endothélium où des cellules regroupées en multiples clusters pluristratifiés semblent alimenter des colonnes de CE radiaires longues d'un millimètre. Ces éléments, associés à l'observation d'une moindre différenciation et d'une compétence proliférative plus élevés en périphérie suggèrent un nouveau modèle d'homéostasie endothéliale humaine in vivo: toute la vie, des CS périphériques alimentent de façon très lente la périphérie cornéenne en CE qui migrent de façon centripète pour assurer la stabilité du centre cornéen dont les propriétés optiques primordiales sont sous-tendues par un endothélium qui ne perd que 0,6% de CE par an. A la différence de l'épithélium cornéen, ce système ne peut être accéléré lors de circonstances pathologiques. Les perspectives de nos travaux sont désormais d'essayer d'isoler de l'extrême périphérie les CS endothéliales ou les progéniteurs et de les cultiver en recréant un microenvironnement favorable. La possibilité de produire un grand nombre de CE in vitre non pas à partir de CE sénescentes prélevées sur la totalité de l'endothélium comme cela a été tenté par la passé, mais cette fois à partir de CS ou des progéniteurs ouvriraient la voie d'une véritable thérapie cellulaire endothéliale. L'enrichissement des greffons pendant la durée de leur conservation à la banque de cornée pourrait constituer une première étape majeure avant d'envisager créer de novo un endothélium sur un support greffable pour une greffe endothéliale du 3e type qui deviendrait ainsi enfin indépendante des aléas de la découpe du greffon. Enfin, l'ïdentification de la CS endothéliale et de son microenvironnement permettra aussi d'envisager une thérapie cellulaire in vivo pour traiter les stades précoces des pathologies endothéliales cornéennes

L’édition des ARN est une exception à la règle de la biologie moléculaire qui stipule que l’information codée par le gène se trouve fidèlement transmise à la protéine. Dans les mitochondries de plante, elle procède par conversion de centaines de cytosines en uraciles par désamination, principalement dans les ARNm. Afin de comprendre le mode de reconnaissance des cytosines par la machinerie d’édition nous avons systématiquement vérifié l’importance des nucléotides -1 et +1 entourant la cytosine cible dans l’édition des transcrits cox2 de blé. Sur cette base, les sites d'édition peuvent être classés en quatre familles: (a) dépendance du résidu +1, (b) dépendance du résidu -1, (c) dépendance des deux résidus et (d) indépendance. Nous avons d’autre part mis en évidence des effets à distance sur le taux de la réaction d’édition, montrant ainsi que certains sites ne sont pas autonomes pour la réaction. L'ensemble des observations nous révèle que le devenir des transcrits a une influence sur l'efficacité de l’édition. Pour le vérifier nous avons construit des gènes cox2 et rps10 dépourvus d'introns. L’efficacité d’édition des transcrits qui ne sont pas soumis à l'épissage est grandement réduite par rapport aux transcrits sauvages, ce qui renforce l’idée que les mécanismes de maturation doivent être interconnectés dans les mitochondries de plante. D’autre part, nous avons montré que l’édition de certains sites introniques pouvait être indispensable à la maturation des transcrits en rétablissant des structures nécessaires à l’épissage. L’exploration de la mécanistique de l’épissage des introns mitochondriaux nous a conduit à mettre au point un test de trans-épissage in organello. Ce test doit permettre de valider expérimentalement les hypothèses ayant trait à la reconnaissance des transcrits et de vérifier le rôle de l’édition dans ce mécanisme. Enfin, la mise en relation de l’édition avec d’autres phénomènes physiologiques touchant les organelles, comme la stérilité mâle cytoplasmique, nous a permis de développer une hypothèse permettant d’expliquer l’émergence et le maintien au cours de l’évolution de ce phénomène chez les plantes. Nous proposons que le conflit nucléo-cytoplasmique a constitué l’élément moteur pour l’apparition de l’édition en permettant l’installation de mutations T en C au niveau de la mitochondrie. La réponse nucléaire a été la correction de ces mutations sur l’ARN mitochondrial, aboutissant à ce que nous appelons aujourd'hui l’édition des ARN. / RNA editing is an exception to the central dogma of molecular biology which states that the information encoded by the gene is faithfully transmitted to the protein. The plant mitochondrial transcriptome undergoes hundreds of specific C-to-U changes by RNA editing, mainly in mRNAs. To understand the mechanism used by the plant to select the C targets on the transcript, we studied the role of the neighbors -1 and +1 nucleotides in wheat cox2 editing sites. Under this scheme, four different recognition patterns can be distinguished: (a) +1 dependency (b) -1 dependency (c) +1/-1 dependency and (d) no dependency on nearest neighbor residues. An important observation was that distal elements can influence the editing efficiency, indicating that some sites are not autonomous for the reaction. We propose that these results could be a consequence of the fate of transcripts during the different maturation steps. To test this hypothesis, we constructed intronless cox2 and rps10 genes. RNA editing was strongly reduced in these constructs, suggesting that efficient RNA processing may require a close interaction of factors engaged in different maturation processes. Our results on editing events in non coding region, particularly in introns, indicate that editing is essential for splicing by remodeling the secondary structure required to excise the intron. To gain insight into the splicing mechanism for scattered mitochondrial genes, we have settled an in organello trans-splicing assay. By this way, it should be possible to decipher the molecular determinants of the reaction and the eventual role of RNA editing in this process. Finally, we proposed a new hypothesis explaining the origin and evolution of RNA editing in plant mitochondria. We assume that the nucleo-cytoplasmic conflict was the driving force allowing the settlement of T-to-C mutations in the mitochondrial genome. The nuclear response was the correction of these mutations on the RNA, i.e. RNA editing.

Ces travaux de thèse d’imagerie moléculaire et translationnelle proposent, sur des modèles murins, deux approches innovantes pour les thérapies géniques. La plupart des cancers sont associés à des dérégulations de l’expression génique et certains gènes sont surexprimés. L’utilisation de microARN (miARN) permet d’envisager une réduction de l’expression d’un gène spécifique mais il est nécessaire de limiter cette inhibition au tissu pathologique. L’utilisation des promoteurs thermo-inductibles couplés à un dépôt local de chaleur autorise un contrôle spatial et temporel de l’expression génique in vivo. Notre projet a été de coupler le contrôle spatio-temporel et l’inhibition d’un gène cible. A cette fin, un miARN synthétique a été placé sous contrôle du promoteur thermo-inductible Hsp70B pour induire l’inhibition d’un gène d’imagerie (luciférase firefly) surexprimé dans une tumeur. L’étude a été menée in vitro sur des lignées cellulaires génétiquement modifiées puis in vivo sur un modèle de xénogreffes chez la souris grâce au suivi en imagerie optique de bioluminescence (BLI). Nos résultats montrent la faisabilité d’induire transitoirement l’inhibition génique au sein d’une tumeur. L’induction est modulable par la température. Cette stratégie peut être couplée à des méthodes couramment utilisées en clinique et ouvre des perspectives thérapeutiques intéressantes. Notre travail de thèse s’intéresse également à l’utilisation d’ARN comme molécule thérapeutique pour la thérapie génique. L’électroporation intra-dermique d’ARN codant pour la luciférase permet de suivre et de quantifier in vivo par BLI l’expression génique. Plusieurs types d’ARN ont été utilisés pour comparer les efficacités respectives des différentes voies traductionnelles. Notre travail démontre que les ARN permettent l’expression transitoire, sans risque d’insertion génomique, d’un gène in vivo. Nous montrons ainsi tout le potentiel de l’utilisation des ARN en thérapie génique. / The present thesis work in molecular and translational imaging establishes two innovative approaches for gene therapy in mouse models. Abnormal regulation of gene expression is the hallmark of cancer, and some of them are overexpressed. MicroRNA (miRNA) can be used as tools to reduce specific gene expression but requires inhibition to be limited to the pathological tissue. Thermo-inducibles promoters associated with local hyperthermia allow for spatial and temporal control of gene expression in vivo. The goal of the present study was to achieve gene inhibition with spatio-temporal control of miRNA expression to inhibit a target gene. In our strategy, a synthetic miRNA was placed under transcriptional control of the heat-inducible promoter Hsp70B to induce inhibition of the imaging reporter gene firefly luciferase overexpressed in a tumor. The study was conducted both in vitro using genetically modified cells lines and in vivo using a xenograft model in mice monitored by optical bioluminescence imaging (BLI). Our data show the feasibility of transient induction and heat-modulation of gene inhibition within a tumor. This strategy can be performed with currently clinically available methods and thus, offers interesting therapeutics prospects. Our work also includes a study on RNA as therapeutic vector for gene therapy. The intradermic electroporation of RNA encoding the imaging reporter gene firefly luciferase allows to monitor and quantify gene expression by BLI in vivo. Several types of RNA have been used to investigate efficiency of the different translational mechanisms. Our data clearly demonstrate that RNA allows for transient gene expression in vivo without any risk of insertion into the target cell’s genome. Altogether, our data highlight the potential use of RNA in gene therapy.

Muitas das técnicas utilizadas para gerar animais transgênicos são caras e laboriosas. Neste contexto, a transferência gênica mediada por espermatozóides (TGME) pode ser uma alternativa para a produção em larga escala de animais transgênicos. Estudos de SMGT têm seu foco no número de cópias de DNA incorporada pelo espermatozóide. Por isso, há pouca informação disponível sobre como as moléculas de DNA se comportam durante o processo de fecundação e quais os efeitos dos protocolos de TGME sobre a célula espermática. Neste sentido, com o objetivo de avaliar a existência de sitio de integração preferencial das moléculas exógenas de DNA no genoma hospedeiro, utilizamos a hibridização in situ para acompanhar a veiculação do transgene durante o processo de fecundação. Foram avaliadas as membranas acrossomais, plasmática e potencial de membrana mitocondrial de espermatozóides submetidos a TGME. Para isso, o sêmen de três diferentes touros foram submetidos ao gradiente de Percoll 45-90%. As células viáveis foram incubadas com o vetor recombinante pCX-EGFP (0, 250, 500 ou 1000ng/106 células) seguidas ou não de eletroporação (300v, 35µF e 0,25ms). Os espermatozóides tratados foram utilizados para a produção in vitro de embriões. Os embriões foram cultivados por sete dias até o estágio de blastocisto. Espermatozóides e embriões produzidos in vitro foram submetidos ao ensaio de hibridização in situ, com metodologia descrita Whyte et al. (2000). O potencial de membrana mitocondrial (PMM), integridade de membrana acrossomal (MA) e plasmática (MP) foram avaliados por citometria de fluxo (Guava Technologies, Hayward, CA, USA) utilizando as sondas fluorescentes JC1, FITC-PSA e PI (Molecular Probes), respectivamente. Os dados foram analisados pelo teste paramétrico ANOVA (teste LSD) usando o programa estatístico SAS for Windows, com nível de significância de 5%. A hibridização in situ não foi possível em espermatozóides bovinos, pois não houve hibridação da sonda controle. Blastocistos oriundos de espermatozóides incubados com DNA exógeno apresentaram integração de forma difusa, embriões oriundos de espermatozóides eletroporados apresentaram integração pontual. As diferentes concentrações de DNA não exerceram efeitos deletérios nas MP ou PMM, a adição de 500ng de DNA causou aumento de lesão na MA (p<0,05). A eletroporação não afeta a MP e MA, mais apresenta grande efeito no PMM causando redução da função mitocondrial. Este estudo conclui que maiores esforços são necessários para elucidar o comportamento das moléculas exógenas de DNA durante o processo de fecundação e quais são os efeitos da TGME sobre a célula espermática. / Most techniques used to produce transgenic animals are laborious and expensive. In this manner, sperm mediated gene transfer (SMGT) may be a viable alternative for long-scale production of transgenic animals. Many SMGT studies have focused the DNA internalization and number of DNA copies incorporated by spermatozoa. However, limited data is available about how foreign DNA molecules behave during fertilization and the direct effects of the SMGT technique on sperm cells. Hence, in order to monitor the existence of preferential integration sites by the exogenous DNA at the host genome, in situ hybridization was used to track the transgene conveyance during in vitro fertilization. In addition, acrosome and plasmatic membrane integrity and mitochondrial membrane potential of sperm cells subjected to SMGT were assessed. Briefly, thawed semen from three different bulls was submitted to a 45- 90% Percoll gradient. Viable cells were incubated with recombinant PCX-EGFP vector (0, 250, 500 or 1000ng/106 sperm cells) or incubated and electroporated (300V, 35µF and 0.25ms). Treated sperm cells were then used for in vitro production of embryos. Embryos were in vitro cultured for 7 days until blastocyst stage. Treated spermatozoa and in vitro produced blastocysts were submitted to in situ hybridization assay, as described by Whyte et al. (2000). The mitochondrial membrane potential (MMP), acrosomal membrane (AM) and plasmatic membrane (PM) integrity were assessed by flow cytometry (Guava Technologies, Hayward, CA, USA) using JC1, FITC-PSA and PI probes (Molecular Probes), respectively. Data were analyzed by parametric ANOVA (LSD test) using SAS for Windows software, at a 5% level. The transgene was not observed at the bovine spermatozoa because the control probe could not be hybridized. In situ hybridization revealed that blastocysts produced from incubated sperm cells had a diffuse foreign DNA integration while blastocysts produced from electroporated sperm cells had a punctual DNA integration. No deleterious effects of exogenous DNA concentrations on PM or MMP were observed. However, the addition of 500ng of exogenous DNA caused sperm AM injury (P<0.05). Electroporation did not affect PM or AM integrity, but it had a great effect on MMP, which may cause a reduction of mitochondrial function. This study suggest that more efforts are needed to elucidate the behavior of exogenous DNA during fertilization and the effects of SMGT in bovine sperm cells.

The biological sludge formed in the pulp and paper wastewater treatment constitutes a costlyproblem to dispose off due to poor dewaterability. It is often incinerated or used as soilconditioner improvement. By using anaerobic digestion of the biological sludge, thedewaterability can be increased. Thanks to the formation of biogas, the sludge volume isdecreased and energy can be recovered as methane. By pre-treating the sludge, the biogasproduction can be increased, making the anaerobic digestion more economically feasible. Eleven samples of biological sludges from six Swedish pulp and paper mills, chosen torepresent different types and sizes of mills available in Sweden, were pre-treated with alkali(NaOH, pH12), heat (80˚C, 1 hr) and electroporation (2000 pulses, 10 kV/cm). Initialmethane production rate and methane potential of all sludges and pre-treatments weredetermined using batch experiment. A combination of two sludges (from the same mill) pretreatedwith alkali and heat was further investigated in a semi-continuous digester experiment. The batch experiments showed that alkali pre-treatment had the greatest positive effect onmethane production. Heat treatment performed second best, whereas electroporation had no orlittle effect. Overall, pre-treatments increased the initial methane production rate, but withinsignificant effects on the methane potential. Heat pre-treatment showed no difference inbiogas production compared to the control in the semi-continuous digester experiment. Alkalitreatment was shown to inhibit biogas production and cause high accumulation of acetate. Itcould not be concluded whether it was an effect from hydroxide or sodium ion addition.Further analysis of the NaOH impact on floc structure, toxicity and bioavailability issuggested to determine the suitability of alkali-treated sludge for anaerobic digestion. / Bioslam, som bildas vid vattenreningen på pappers- och massabruk, utgör en kostnad attomhänderta på grund av avvattningssvårigheter. Kvittblivning sker oftast genom förbränningeller användning som jordförbättringsmedel. Genom rötning kan slammet bli merlättavvattnat och tack vare att det bildas biogas minskar slamvolymen samtidigt som energikan utvinnas från metanet. Produktionen av biogas kan ökas genom att förbehandla slammetinnan rötning, vilket skulle innebära ekonomiska fördelar. Denna studie har undersökt effekten av förbehandling för elva bioslam från sex svenskapappers- och massabruk, valda att representera olika typer och storlekar på svenska bruk.Behandlingen gjordes med alkali (NaOH, pH12), värme (80˚C, 1 h) och elektroporering(2000 pulser, 10 kV/cm). Effekten av förbehandling på initial metanproduktionshastighet ochmetanpotential undersöktes med hjälp av satsvis utrötning (batch) av alla slam. Enkombination av två slam från samma burk utvärderades i ett semi-kontinuerligt rötningsförsökefter förbehandling med värme och alkali. Resultatet från utrötningsförsöket visade att den alkaliska förbehandlingen hade störst positivinverkan på metanproduktionen. Värmebehandlingen presterade näst bäst, medanelektroporeringen visade sig ha liten eller ingen effekt. Generellt sett ökade den initialametanproduktionshastigheten till följd av förbehandling, medan metanpotentialen förblevoförändrad. Värmebehandling gav ingen effekt på biogasproduktionen i det semikontinuerligarötningsförsöket jämfört med kontroll, medan alkalisk förbehandling inhiberadebiogasproduktionen och orsakade höga koncentrationer av ackumulerat acetat. Det kunde inteavgöras huruvida det var natrium- eller hydroxidjoner, som orsakade inhiberingen. För attkunna utvärdera möjligheten att röta slam, som förbehandlats med NaOH, rekommenderasvidare analys av dess påverkan på flockstruktur, toxicitet och biotillgänglighet.

Non-viral delivery of plasmid DNA has traditionally relied upon physical forces applied directly to target tissues. These physical methods typically involve contact between an applicator and the target tissue and often cause transient patient discomfort. To overcome the contact-dependent limitations of such delivery methodologies, an atmospheric direct current plasma source was developed to deposit ionized gas molecules onto localized treatment sites. The deposition of charged species onto a treatment site can lead to the establishment of an electric field with strengths similar to those used for traditional electroporation. In vitro experiments proved that this technology could transiently permeabilize cell membranes and that membrane restabilization followed first order kinetics. Optimum delivery of tracer molecules to cell suspensions occurred after 10 minutes of plasma exposure and was attained without adversely effecting cell viability. In vivo testing of the plasma discharge demonstrated the capability of this system to deliver plasmid DNA to murine skin. Initial experiments involved the injection of plasmid DNA encoding luciferase into the dermis of C57BL/6J mice and then exposing the tissue to plasma discharge for 10 mintues. Delivery by this method resulted in increased luminescence that was as much as 19-fold greater than DNA injection alone. Follow-up optimization experiments demonstrated it was possible to obtain luminescence results that were similar in magnitude to those obtained using electroporation, which under optimum conditions resulted in about a 40-fold increase in peak luminescence. Finally, optimum conditions were used to deliver a plasmid DNA encoding for the 120 kilodalton glycoprotein present on the surface of a macrophage tropic HIV. Results from this vaccination experiment indicated this method was capable of producing antigen specific humoral immune responses at similar levels as when electroporation was utilized as the delivery method.

To diversify their genetic material, allowing adaptation to environmental disturbances and colonization of new ecological niches, bacteria use various evolutionary processes, including the acquisition of new genetic material by horizontal transfer mechanisms such as conjugation, transduction and transformation. Electrotransformation mediated by lightningrelated electrical phenomena may constitute an additional gene transfer mechanism occurring in nature. The presence in clouds of bacteria capable of forming ice nuclei that lead to precipitations and are involved in the triggering of lightning, such as the global phytopathogen Pseudomonas syringae, led us to postulate that natural electrotransformation in clouds may affect bacteria, by contributing to increase their adaptive potential. We first determined if the ice nucleator bacterium P. syringae could survive when in clouds and acquire exogenous genetic material through lightning shock-simulating in vitro electroporation. In comparison to two other bacteria, P. syringae appears to be best adapted for survival and for genetic electrotransformation under these conditions, which suggests that this bacterium would be able to survive and evolve whilst being transported in clouds. Secondly, we evaluated the impact of lightning shock-simulating in vitro electroporation on the survival, the electrotransformation potential and the diversity of bacteria collected from rain samples. These isolates better resisted lightning than the laboratory strains and some were able to electrotransform exogenous DNA. The rain bacteria we isolated were of different origins and were representative of life modes of the various sources of bacterial emissions on Earth. Our study suggests that bacteria aerosolized from diverse terrestrial ecosystems can spread to new habitats through clouds whilst also being able to acquire new genetic material via lightning-based electrotransformation, thereby potentially enhancing their genetic diversity. The final part of our work consisted of evaluating whether electrotransformation could be applied to the engineering of indigenous soil bacteria in order to develop a tool for the bioremediation of lindane, a once widely used pesticide. Optimized experiments revealed that both natural and electrotransformation contributed to the incorporation of a plasmid harboring a gene encoding the first lindane dechlorination steps by indigenous soil bacteria. In conclusion, we showed that natural electrotransformation mediated by electrical discharges such as those occurring in clouds or reaching soils can be involved in the horizontal gene transfer process among bacteria and, considering the importance of lightning worldwide, may play a role in the adaptation and evolution of these organisms.

L'électroperméabilisation est une technique permettant, entre autre, l'entrée de molécules cytotoxiques dans les tumeurs. Elle consiste en la perméabilisation transitoire de la membrane plasmique suite à l'application de champs électriques pulsés. Certaines conditions électriques permettent le transfert de gène, ouvrant le champ d'application de la technique à la thérapie génique. Cette thèse s'est intéressée à étudier les effets des champs électriques sur cellules et tissus, dans le cas de l'électro-transfert de gène. En effet, la compréhension mécanistique de ce transfert est indispensable à l'optimisation de la technique pour les futures applications cliniques. Dans ce contexte, nous nous sommes attachés à étudier les 3 barrières rencontrées par le gène lors de son transfert, à savoir la complexité de l'environnement multicellulaire au niveau du tissu, la membrane plasmique et l'enveloppe nucléaire au niveau de la cellule. i) L'efficacité de l'electrotransfer de gène a été étudié sur le modèle de tumeur in vitro/ex vivo dit sphéroïde. Dans un premier temps ce modèle a été validé pour l'étude de l'électrotransfection et dans un deuxième temps les raisons de l'absence d'efficacité en structure tissulaire ont été mises en évidence et l'optimisation de la technique a été amorcée. ii) Une deuxième partie a été dédiée à l'étude nano-mécanique des cellules à l'échelle de la membrane plasmique par microscopie à force atomique. La microscopie à force atomique a été utilisée afin d'imager et mesurer par spectroscopie de force l'effet de l'électroperméabilisation sur la membrane plasmique. Nous avons imagé la perturbation membranaire et mesuré une diminution d'élasticité membranaire suivant l'application des champs électriques. Ce phénomène a été relié aux effets secondaires de l'électroperméabilisation affectant l'actine corticale. iii) Une dernière partie s'est intéressée aux effets des nanopulses. Ces impulsions très courtes (ns) et intenses (plusieurs kV/cm) représentent la nouvelle génération d'impulsions, dont les effets sont encore peu décrits, mais pourraient permettre une déstabilisation spécifique de l'enveloppe des organelles. L'impact de ses impulsions nanosecondes sur la membrane ont été analysée par Patch-Clamp pour déterminer l'implication du cytosquelette d'actine dans la forme des nanopores créés. Dans un deuxième temps leur impact sur l'enveloppe nucléaire a été étudié, dans le but de déterminer d'éventuels effets néfastes sur le fonctionnement cellulaire, et la potentielle augmentation de transfection résultant d'une déstabilisation de la deuxième barrière rencontré par le gène lors de son transfert. Il est montré que l'actine ne joue pas de rôle dans la formation des nanopores, et que les impulsions nanosecondes ne permettent pas d'augmenter l'efficacité de transfection. En conclusion ces travaux ont apporté de nouveaux éléments dans la compréhension du mécanisme d'électroporation et des barrières au transfert de gène. Des protocoles, modèles, et outils ont été mis en place et sont aujourd'hui validés et disponibles pour une investigation poussée des effets des champs électriques sur le vivant.

Reducing the production cost of industrial biofuels will greatly facilitate their proliferation and co-integration with fossil fuels. The cost of feedstock is the largest cost in most fermentation bioprocesses and therefore represents an important target for cost reduction. Meanwhile, the biorefinery concept advocates revenue growth through complete utilization of by-products generated during biofuel production. Taken together, the production of biofuels from low-cost crude glycerol, available in oversupply as a by-product of bioethanol production, in the form of thin stillage, and biodiesel production, embodies a remarkable opportunity to advance affordable biofuel development. However, few bacterial species possess the natural capacity to convert glycerol as a sole source of carbon and energy into value-added bioproducts. Of particular interest is the anaerobe Clostridium pasteurianum, the only microorganism known to convert glycerol alone directly into butanol, which currently holds immense promise as a high-energy biofuel and bulk chemical. Unfortunately, genetic and metabolic engineering of C. pasteurianum has been fundamentally impeded due to a complete lack of genetic tools and techniques available for the manipulation of this promising bacterium. This thesis encompasses the development of fundamental genetic tools and techniques that will permit extensive genetic and metabolic engineering of C. pasteurianum. We initiated our genetic work with the development of an electrotransformation protocol permitting high-level DNA transfer to C. pasteurianum together with accompanying selection markers and vector components. The CpaAI restriction-modification system was found to be a major barrier to DNA delivery into C. pasteurianum which we overcame by in vivo methylation of the recognition site (5’-CGCG-3’) using the M.FnuDII methyltransferase. Systematic investigation of various parameters involved in the cell growth, washing and pulse delivery, and outgrowth phases of the electrotransformation procedure significantly elevated the electrotransformation efficiency up to 7.5 × 104 transformants µg-1 DNA, an increase of approximately three orders of magnitude. Key factors affecting the electrotransformation efficiency include cell-wall-weakening using glycine, ethanol-mediated membrane solubilization, field strength of the electric pulse, and sucrose osmoprotection. Following development of a gene transfer methodology, we next aimed to sequence the entire genome of C. pasteurianum. Using a hybrid approach involving 454 pyrosequencing, Illumina dye sequencing, and single molecule real-time sequencing platforms, we obtained a near-complete genome sequence comprised of 12 contigs, 4,420,100 bp, and 4,056 candidate protein-coding genes with a GC content of 30.0%. No extrachromosomal elements were detected. We provide an overview of the genes and pathways involved in the organism’s central fermentative metabolism. We used our developed electrotransformation procedure to investigate the use of established clostridial group II intron biology for constructing chromosomal gene knockout mutants of C. pasteurianum. Through methylome analysis of C. pasteurianum genome sequencing data and transformation assays of various vector deletion constructs, we identified a new Type I restriction-modification system that inhibits transfer of vectors harboring group II intron gene knockout machinery. We designated the new restriction system CpaAII and proposed a recognition sequence of 5’-AAGNNNNNCTCC-3’. Overcoming restriction by CpaAII, in addition to low intron retrohoming efficiency, allowed the isolation of a gene knockout mutant of C. pasteurianum with a disrupted CpaAI Type II restriction system. The resulting mutant strain should be efficienty transformed with plasmid DNA lacking M.FnuDII methylation. Lastly, we investigated the use of plasmid-based gene overexpression and chromosomal gene downregulation to alter gene expression in C. pasteurianum. Using a β-galactosidase reporter gene, we characterized promoters corresponding to the ferredoxin and thiolase genes of C. pasteurianum and show that both promoters permitted high-level, constitutive gene expression. The thiolase promoter was then utilized to drive transcription of an antisense RNA molecule possessing complementarity to mRNA of our β-galactosidase reporter gene. Our antisense RNA system demonstrated 52-58% downregulation of plasmid encoded β-galactosidase activity throughout the duration of growth. In an attempt to perturb the central fermentative metabolism of C. pasteurianum and enhance butanol titers, we prepared several antisense RNA constructs for downregulation of 1,3-propanediol, butyrate, and hydrogen production pathways. The resulting downregulation strains are expected to exhibit drastically altered central fermentative metabolism and product distribution. Taken together, we have demonstrated that C. pasteurianum is amendable to genetic manipulation through the development of methods for plasmid DNA transfer and gene overexpression, knockdown, and knockout. Further, our genome sequence should provide valuable nucleotide sequence information for the application of our genetic tools. Thus, the genome sequence, electrotransformation method, and associated genetic tools and techniques reported here should promote extensive genetic manipulation and metabolic engineering of this biotechnologically important bacterium.

Els tractaments actuals pel càncer de pàncreas presenten un eficàcia limitada de manera que es necessari el desenvolupament de noves teràpies antitumorals. La teràpia gènica pel càncer de pàncreas basada en l’ús d’adenovirus es troba limitada per la baixa capacitat dels virus d’arribar a les masses tumoral, de distribuir-se pel tumor i d’infectar les cèl·lules tumorals. Nosaltres hem observat que l’administració intraductal d’adenovirus al ducte biliar de ratolins Ela-myc permet arribar als tumors pancreàtics de manera més eficient que per la via sistèmica. A més a més permet transduir la majoria de la massa tumoral restringint l’expressió adenoviral al teixit pancreàtic. D’altre banda, l’administració intraductal del tractament AduPARTat8TK/GCV retarda significativament el creixement tumoral i disminueix la toxicitat associada al tumor. El nou adenovirus AdTATMMP és activat per les MMP2/9 restaurant la capacitat de transducció de l’AdYTGRE in vitro, i incrementant 7,3 vegades la infecció del tumor pancreàtic. El tractament combinat de l’AduPARTat8TK/GCV amb gemcitabina presenta un efecte sinèrgic in vitro, però no millora la eficàcia antitumoral de les teràpies simples. D’altre banda el tractament de l’electroporació irreversible presenta efectes antitumorals significatius en tumors ortotòpics de la línia cel·lular BxPC-3-Luc i allarga la supervivència dels ratolins provocant una toxicitat mínima. / Novel therapies are needed to overcome the limited efficacy of current treatments in pancreatic cancer. Adenoviral gene therapy against pancreatic tumors is challenged by the limitation of viruses to reach the tumor mass, poorly distribute within the tumor and inefficiently transduce tumor cells. We show that intraductal administration of adenoviruses into the common bile duct of Ela-myc mice targets pancreatic tumors more efficiently than systemic delivery with relevant transduction of the bulk of the tumor and restricts expression to pancreatic tissue. Moreover, intraductal administration of AduPARTat8TK/GCV treatment significantly delayed tumor growth ameliorating tumor-associated toxicity. Noticeable the new generated MMP-activatable adenovirus AdTATMMP was susceptible to MMP2/9 activation, restored the transduction capacity of AdYTRGE in vitro, and increased 7.3 times tumor pancreas transduction. The multimodal treatment AduPARTat8TK/GCV and gemcitabine showed synergistic effects in vitro; however, did not enhance the antitumoral efficacy of single therapies. Interestingly, IRE treatment exhibited significant antitumor effects in BxPC-3-Luc orthotopic tumors and prolonged mice survival with minimal toxicity.