Th. 3e cycle--Sci. pour les ind. chim.--Nancy--I.N.P.L., 1978.

Pour répondre aux attentes des consommateurs, l'industrie agro-alimentaire mise sur l'innovation qui reste le vecteur principal de croissance et de différenciation des entreprises. Celles-ci sont en permanence à la recherche de nouveaux ingrédients. Elles visent ainsi la production d'aliments innovants dotés de structures complexes, dont les émulsions font partie. Ces dernières sont d’ailleurs largement répandues dans le domaine de l’agro-alimentaire. Cependant, au cours de leur fabrication ou de leur stockage, ces émulsions sont soumises à des phénomènes concomitants de déstabilisation et d’oxydation, palliés par la présence d’additifs le plus souvent d’origine chimique. Or, les consommateurs recherchent désormais des produits alimentaires contenant des substances naturelles, voire exempts d’additifs (clean label). La recherche de nouveaux ingrédients d'origine naturelle est donc un défi majeur pour les industriels de l’agro-alimentaire, et suscite un intérêt croissant. Les pistes explorées sont nombreuses, et parmi celles-ci, la réaction de glycation ou réaction de Maillard (RM) appliquée à des protéines ou des mélanges peptidiques. En effet, la RM peut s’avérer potentiellement intéressante pour renforcer la capacité antioxydante et/ou les propriétés technofonctionnelles, dont les propriétés émulsifiantes, de substrats protéiques. Dans ce contexte, nous avons cherché à optimiser les propriétés émulsifiantes et antioxydantes de deux substrats protéiques par la RM en conditions contrôlées et en présence de différents glucides. Du caséinate de sodium et un hydrolysat de coproduits de crevette ont été choisis. Le premier substrat est utilisé comme protéine de référence, car il est couramment employé dans l’industrie comme agent émulsifiant, et le second est étudié dans l’optique d’une valorisation des co-produits de la pêche. En effet, l'hydrolyse enzymatique constitue une approche d'un intérêt stratégique majeur pour réhabiliter la fraction protéique des coproduits marins. Nous avons réalisé des RM entre l’hydrolysat de crevette et trois concentrations différentes de xylose. Nous avons ainsi montré que l’augmentation de la concentration en xylose entraîne une diminution logarithmique du nombre de fonctions aminées restantes après RM. Ceci indique que la concentration en xylose initialement utilisée était limitante. Des analyses chromatographiques montrent que l’utilisation de concentrations plus importantes en xylose semble privilégier l’apparition de composés aromatiques de faible poids moléculaire(< 250 Da). Par ailleurs, l’augmentation de la concentration en xylose lors de la RM avec l’hydrolysat de crevette modifie les propriétés rhéologiques des émulsions à 0,5 % et pH 7. Enfin, la capacité antioxydante des hydrolysats de crevette issus de la RM augmente lorsque la concentration en xylose utilisée est croissante dans le milieu réactionnel. En conclusion, notre étude a permis de produire, à partir de deux substrats protéiques modifiés par RM en conditions contrôlées à 50°C, des ingrédients potentiellement bifonctionnels, montrant à la fois des propriétés émulsifiantes et antioxydantes. / No

Ce travail de doctorat a permis de développer un biocapteur dédié à l’analyse de l'activité hydrolytique d'une enzyme sur un composant de la paroi végétale, l'arabinoxylane, dans un contexte où le nombre d'enzymes à tester augmente.Ce biocapteur permet non seulement de détecter une enzyme active mais également de classer son activité hydrolytique au sein d’un ensemble d’enzyme. L’identification est réalisée simplement à l'œil nu mais le classement nécessite une observation instrumentée. Des techniques de micro-fabrication sont utilisées pour dispenser de manière précise l’arabinoxylane sur un support. La composition de la solution à base d'arabinoxylane a été optimisée afin d’assurer sa stabilité ainsi que l’uniformité de l’épaisseur du dépôt solide. L’influence de la mouillabilité du support est également étudiée. Notre suivi permet de détecter l’hydrolyse enzymatique et de quantifier le taux d’hydrolyse. La fonctionnalité du biocapteur est validée avec une xylanase commerciale par comparaison avec une technique standard en enzymologie utilisant un substrat colorimétrique. Ce nouvel outil a également été évalué sur des enzymes issues de clonage métagénomique. Son seuil de sensibilité est de 3 nkat/ml, comparable aux autres techniques mais permet de diviser par deux le temps d’analyse. / This thesis focused on the development of a biosensor able to detect the hydrolysis capabilities of enzymes. In a context in which an increasing number of enzymes must be tested for their ability to decompose biomass, we choose to use arabinoxylan as our sensor's active layer as it is a major component of plant cell walls. This biosensor doesn’t only make it possible to detect an enzymatic activity but also to rank several enzymes according to their respective activities. While the precise ranking of enzymes requires an instrument, detecting a hydrolytic activity can be done without it. We rely on microfabrication techniques to precisely deposit arabinoxylan on a solid support. We have developed an arabinoxylan based and tuned its composition to maximize its stability and ensure deposits’ homogeneity. The influence of the wetting properties of the support itself was also thoroughly investigated. We are able to quantify the progressive degradation of the arabinoxylan deposits and thus extract the hydrolysis rate. We have benchmarked our approach with the standard techniques (colorimetry) used in enzymology on a commercial Xylanase. Our approach was further evaluated in a metagenomic enzyme screening context. We have demonstrated that while twice faster than the existing techniques, we maintain a limit of detection at the state of the art (3nkat/mL).

Le nonylphénol (4-n-nonylphénol) et le bisphénol A (4,4'isopropylidène-2-diphénol) sont des perturbateurs endocriniens qui ont été détectés dans des échantillons de sang, d'urine, de tissus adipeux et de lait humain. Ces molécules sont biotransformées en métabolites non-toxiques par un processus de glucuronidation. Plusieurs facteurs, incluant la co-exposition avec d'autres xénobiotiques, sont susceptibles de réduire les taux de glucuronidation. Les objectifs de cette étude étaient d'identifier et de caractériser l'impact de 14 médicaments dont la consommation est répandue sur la biotransformation de ces perturbateurs endocriniens. L'identification des interactions a été effectuée en co-incubant des hépatocytes de rat fraîchement isolés avec du nonylphénol ou du bisphénol A, et des médicaments à une concentration 50 fois plus élevée que la concentration maximale (Cmax) reportée chez l'humain suite à une dose thérapeutique. Une inhibition de la biotransformation des polluants a été observée avec la plupart des médicaments. Le naproxène (18,7 mM), l'acide salicylique (24,5 mM), la carbamazépine (1,9 mM) et l'acide méfénamique (1,45 mM) ont inhibé le métabolisme du nonylphénol et du bisphénol A à plus de 50% dans les suspensions d'hépatocytes. La caractérisation des inhibitions observées avec le naproxène, l'acide salicylique et la carbamazépine a été tentée à l'aide de microsomes hépatiques de rat. Le naproxène et la carbamazépine ont inhibé compétitivement la glucuronidation du nonylphénol et du bisphénol A. L'acide salicylique n'a montré aucune inhibition des taux de glucuronidation à une concentration de 1000 µM, suggérant ainsi que d'autres mécanismes d'action sont impliqués dans l'inhibition observée dans les hépatocytes. Des simulations effectuées à l'aide d'un modèle pharmacocinétique à base physiologique ont démontré que des niveaux thérapeutiques de naproxène peuvent entraîner une hausse du Cmax et de l'aire sous la courbe de la concentration de bisphénol A chez l'humain d'environ 1,8 fois (en assumant un Ki similaire chez le rat et l'humain). En conlusion, cette étude démontre que plusieurs médicaments peuvent inhiber la détoxication de polluants comme le nonylphénol et le bisphénol A. L'analyse de risque pour les polluants environnementaux doit donc prendre en compte la consommation de médicaments comme facteur pouvant hausser les niveaux internes pour une exposition donnée. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Nonylphénol, Bisphénol A, Médicaments, Biotransformation, Modélisation pharmacocinétique à base physiologique, Interactions.

Th.--Sci. phys.--Nancy--I.N.P.L., 1985.

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).

Les considérations environnementales actuelles encouragent la production d’intermédiaires chimiques bio-sourcés à travers des processus durables et plus respectueux de l'environnement nécessitent la conception de nouveaux systèmes catalytiques « sur mesure » recyclables. L’association de la catalyse biologique et de la catalyse chimique, appelée « catalyse hybride », fait partie de ces nouveaux concepts pouvant répondre aux défis émergents posés par la valorisation de la biomasse. C’est dans ce contexte d’émergence de la catalyse hybride que nous avons développé un procédé hybride innovant d’obtention de 5-hydroxyméthylfurfural (5-HMF), molécule plateforme clé pour l’obtention de monomères biosourcés, à partir du glucose. Les problèmes de compatibilités liées au couplage « one-pot » de l’enzyme d’isomérisation du glucose et du catalyseur chimique de déshydratation ont été résolus par la mise en œuvre d’une membrane liquide transportant le fructose. Les conditions réactionnelles optimales de chacune des 3 étapes du procédé (isomérisation du glucose, transport du fructose, déshydratation du fructose) ont été étudiées individuellement. Un premier procédé en « cascade » a alors été mis en place dans ces conditions, permettant de valider la faisabilité du procédé de production du 5-HMF. Un second procédé de catalyse hybride a ensuite été mis en place dans un réacteur innovant spécialement conçu. Ce procédé a permis de lever le verrou lié à la compatibilité des conditions des deux catalyseurs et de dépasser la limitation de rendement liée à l’équilibre thermodynamique de la réaction d’isomérisation. / Current environmental considerations encourage the production of bio-sourced chemical intermediates through sustainable and environmentally friendly processes that require the design of new, custom-made, recyclable catalytic systems. The combination of biological catalysis and chemical catalysis, called "hybrid catalysis", is part of these new concepts that can meet the emerging challenges posed by the biomass valorization. In this context of hybrid catalysis emergence, we have developed an innovative hybrid process for obtaining 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), a key platform molecule for biosourced monomers obtaining from glucose. Compatibility issues related to the "one-pot" coupling of the glucose isomerization enzyme and the chemical dehydration catalyst have been solved by the implementation of a liquid membrane carrying the fructose. Optimal reaction conditions of each of the 3 process steps (glucose isomerization, fructose transport, fructose dehydration) were studied individually. A first "cascade" process was then set up under these conditions, making it possible to validate the feasibility of the 5-HMF production process. A second hybrid catalysis process was then implemented in a specially designed innovative reactor. This process made it possible to remove the lock related to the compatibility of the operating conditions and to exceed the yield limitation related to the thermodynamic equilibrium of the isomerization reaction.

La recherche de substituts aux antioxydants alimentaires synthétiques (sulfites, BHA : di-tertio-butylhydroxyanisol et BHT : di-tertio-butyl-hydroxytoluène) utilisés contre l'oxydation des phénols et des lipides est actuellement très active en raison des effets allergènes et toxiques de ces additifs. Il a été montré que les produits de la réaction de Maillard (PRM) formés lors du chauffage de la cystéine et du glucose en milieu acide, sont de très puissants inhibiteurs du brunissement enzymatique des fruits et légumes du à l'oxydation des phénols catalysée par les polyphénoloxydases (PPO) en présence d'oxygène. Afin de pouvoir caractériser les composés inhibiteurs des PRM, ces systèmes modèles ont été simplifiés en un mélange de composés néoformés à partir de la réaction entre le HMF et la cystéine chauffée ou le sulfure d'ammonium. Ce mélange s'est révélé être environ trois fois plus efficace que les PRM pour inactiver la PPO de différentes origines végétales. La réaction de formation des composés inhibiteurs a été étudiée et une comparaison des pouvoirs antioxydants (tests AAPH° et DPPH°) et chélateurs du cuivre (test TMM) a été réalisée. Aux concentrations suffisantes pour prévenir le brunissement de purées de fruits et de légumes mesuré par des tests colorimétriques (L*, a*, b*), les produits néoformés, plus efficaces que les sulfites, n'ont montré aucun effet mutagène d'après les tests d'Ames réalisés sur les souches TA 98 et TA 102. Les lipoxygénases (LOX) catalysent l'oxydation des acides gras poly-insaturés. La méthodologie des plans d'expériences a permis la détermination des PRM ayant le plus fort pouvoir inhibiteur (PI) de l'activité LOX extraites du soja et de la farine de fève : les PRM issus du chauffage de la lysine et du glucose à 120 °C pendant 15 h montrent une inhibition non-compétitive irréversible de la LOX. De plus, ces PRM sont particulièrement stables au cours du temps de stockage : congelés, le pouvoir inhibiteur de ces PRM ne montre pas d'évolution significative au cours des deux premiers mois de conservation.

La promiscuité des enzymes joue un rôle primordial pour l’évolution des protéines et la divergence des fonctions catalytiques. Comprendre les déterminants moléculaires qui régissent cette promiscuité enzymatique représente un enjeu scientifique majeur pour identifier les trajectoires évolutives pouvant entrainer l’émergence de nouvelles fonctions. L’objectif de cette thèse a consisté d’une part à sonder la promiscuité catalytique de l’amylosaccharase de Neisseria polysaccharea, une transglucosidase d’intérêt biotechnologique majeur, dans le but d’identifier des substrats alternatifs et d’autre part à étendre ses capacités naturelles par des techniques d’évolution moléculaire. Une trentaine de molécules ont été testées et ont permis de mettre en évidence la forte spécificité de l’enzyme pour son substrat donneur ainsi que sa large promiscuité vers les substrats accepteurs. Le rôle des résidus impliqués dans la reconnaissance des substrats a par la suite été considéré au travers d’une stratégie rationnelle basée sur des prévisions de stabilité thermodynamique. Deux histidines (H187 et H392), ont ainsi été ciblées par mutagénèse à saturation. La stabilité de ces mutants a été étudiée ainsi que ainsi que leur activité envers différents substrats. Des enzymes à la stabilité améliorée ou montrant des changements de spécificité de produits ont ainsi été identifiées. Afin d’étudier plus amplement la promiscuité de cette amylosaccharase, une deuxième stratégie d’ingénierie a été menée pour mimer in vitro les mécanismes moléculaires de la dérive génétique neutre. Ce phénomène dit de “Neutral-Drift” a préalablement été décrit comme un facteur impliqué dans les changements de promiscuité catalytique. Quatre cycles de mutagénèse ont ainsi été réalisés et 440 clones ont été sélectionnés pour avoir conservé leur fonction originelle (i.e. leur activité sur saccharose). Des variants aux propriétés catalytiques améliorées envers des substrats alternatifs ont été caractérisés et des groupes de positions corrélées ont été identifiés. L’effet des mutations neutres sur la thermostabilité a également été étudié. Enfin, de façon remarquable, une nouvelle activité envers un substrat non reconnu par l’enzyme native, le méthyl-α-L-rhamnopyranoside, a été détectée. Ce variant possédant quatre substitutions a été caractérisé et la résolution de sa structure tridimensionnelle par cristallographie aux rayons-X permettra d’approfondir les relations unissant séquence, structure et activité de l’enzyme / Investigation of substrate promiscuity is of prime interest to understand the way enzymes evolve. Understanding the molecular determinants involved in substrate promiscuity is challenging to determine the evolutionary trajectories that lead to the emergence of catalytic functions and to take further advantage of their evolvability to develop original biocatalysts. The objective of this thesis aimed to investigate the substrate promiscuity of the amylosucrase from Neisseria polysaccharea, a transglucosidase of prime biotechnological interest, to identify alternative donor and acceptor molecules and further extend its catalytic properties through enzyme engineering. About thirty molecules were assayed and the strong specificity for the natural donor sucrose was emphasized, as well as the broad acceptor promiscuity. The rational engineering of active site residues responsible for substrate recognition was undertaken through thermodynamic stability predictions. Two residues, namely H187 and H392, were rationally targeted for site-directed mutagenesis. The stability of these variants was investigated as well as their activity toward both natural and promiscuous substrates. Variants with enhanced stability or altered product distribution were identified. These results highlighted that mutations responsible for stability changes may also lead to substrate promiscuity or product specificity changes. To further investigate the promiscuity of amylosucrase, we considered another engineering strategy to mimic in vitro the neutral enzyme evolution. Neutral genetic drift was previously shown to be related to promiscuity changes. On this basis, four repeated round of mutagenesis were performed and 440 clones were selected because they maintained the protein original function (i.e. the activity on sucrose). Variants with enhanced properties towards promiscuous donors and acceptors were characterized and clusters of correlated amino acid substitutions were identified. The impact of neutral mutations on thermodynamic stability was also discussed. Remarkably, a totally new activity towards methyl-α-L-rhamnopyranoside, an acceptor not recognized by the parental wild-type enzyme, was detected. The variant harboring four amino acid substitutions was characterized and the determination of its three-dimensional structure by X-ray crystallography will be useful to further investigate the structure-sequence-activity relationships of this enzyme

La répression génétique complète de l’enzyme de conversion de l’endothéline-1 (ECE) chez la souris ne réduit que de 45% les taux tissulaires du puissant facteur vasoactif suggérant que d’autres enzymes protéolytiques sont impliquées dans la production dudit peptide. Nous avons récemment rapporté (Houde et al., 2013) que la protéase mastocytaire de type 4 (mMCP-4) synthétise l’ET-1 chez la souris anesthésiée in vivo et dans des extraits tissulaires in vitro. La source cellulaire principale de cette activité ECE-indépendante demeure toutefois inexplorée à ce jour. Le but de cette étude est d’évaluer la capacité de la protéase mastocytaire de type 4 (mMCP-4) recombinante, extraite des mastocytes ou in vivo chez la souris consciente, dans la conversion de la big-ET-1 en ET-1 (1-31). Notre hypothèse principale est que la mMCP-4 représente une voie de synthèse significative d’ET-1 tant in vitro que chez la souris consciente. La mMCP-4 recombinante ou extraite de mastocytes péritonéaux de souris de type sauvage, mais non pas de souris mMCP-4 KO, possède une activité de type chymotrypsine sensible à un inhibiteur spécifique des chymases, le TY-51469. De plus, par HPLC et par spectrométrie de masse (Triple-TOF), une production TY-51469 sensible d’ET-1 (1-31) à partir de son précurseur la big-ET-1 est démontrée. D’autre part, la cinétique enzymatique de la mMCP-4 contre les substrats Ang I et big-ET-1 a été déterminée (K[indice inférieur M] : 19.31 ± 3.16 et 23.43 ± 5.314 μM respectivement). Cette enzyme a une activité similaire pour ces deux substrats (k[indice inférieur cat]/K[indice inférieur M] Ang I : 7.70 X 10[indice supérieur -3] μM[indice supérieur -1] X sec[indice supérieur -1] et big-ET-1 : 2.189 X 10[indice supérieur -3] μM[indice supérieur -1] X sec[indice supérieur -1]). L’administration systémique de big-ET-1 chez des souris conscientes, instrumentées en radio-télémétrie, montre une réduction d’environ 50 à 80% de la réponse pressive du précurseur chez des souris mMCP-4 KO lorsque comparées aux souris de type sauvage. Les souris conscientes montrent une hypersensibilité très significative par rapport à la souris anesthésiée en réponse à l’ET-1 exogène (déplacement vers la gauche de la courbe dose-réponse de plus de 6 à 7 unités logarithmiques). En contraste, l’affinité apparente (ID[indice inférieur 50]) d’un antagoniste ET[indice inférieur A], l’atrasentan contre l’ET-1, est similaire chez la souris consciente ou anesthésiée (0.8236 et 0.2101 mg/kg respectivement). Cette série de résultats illustrent que la souris consciente répond beaucoup plus efficacement aux agents presseurs et ce, sans altération de l’affinité des récepteurs pour leurs ligands endogènes respectifs. Tous nos résultats nous permettent donc de conclure que la chymase recombinante, dans les mastocytes ou chez la souris consciente convertit dynamiquement la big-ET-1 en ET-1 (1-31).