Les procédés de transformation de biomasse lignocellulosique en bioéthanol de seconde génération sont actuellement des sujets de recherche très répandus mais ne sont toujours pas compétitifs avec ceux de la première génération. Les facteurs clés limitants sont : l’efficacité et les coûts du prétraitement, les rendements de l’hydrolyse enzymatique, et la co-fermentation C5-C6. Un procédé continu de déconstruction de la matière végétale, compactant un prétraitement thermo-mécano-chimique utilisant un agent alcalin avec une introduction d’enzymes en extrusion bi-vis, appelé bioextrusion, est développé dans cette étude. Il permet de préparer la matière cellulosique à un haut taux de matière sèche (>20%), à une saccharification et une fermentation pouvant être simultanées (SSF). Le traitement continu peut extraire une grande part des hémicelluloses (jusqu’à 97%) et des lignines (>50%) et améliorer l’accessibilité de la cellulose tout en initiant sa dépolymérisation par des cocktails enzymatiques pendant la bioextrusion. Plusieurs matières premières (Résidu de maïs doux, Bagasse d’agave bleue, Résidu d’huilerie de palme, Paille d’orge, Résidu d’Eucalyptus, Sarments de vigne et Bagasse de canne à sucre) ont été caractérisées et leurs comportements vis-à-vis du procédé ont été comparés. L’évolution de la composition de ces matières à travers le procédé et leur hydrolysabilité ont été étudiées. Suite au traitement, une augmentation du rendement de saccharification dans un réacteur (24h de temps de réaction à 20% de consistance) a été obtenue pour ces matières (jusqu’à 85% des C6 théoriques et 70% des C5-C6 théoriques). Les rendements de fermentation non optimisés atteignent un maximum de 85% théorique des sucres C6 convertis, 65% théorique des C5-C6 convertis, et une concentration d’éthanol de 15g/100g extrudat sec. Le procédé de production d’éthanol dans son ensemble (avec addition de l’énergie de la valorisation des coproduits) atteint un ratio « énergie consommée/produite » de 0.5-0.6. Le nouveau procédé présente ainsi les avantages de minimiser la consommation d’énergie par l’application de faibles températures, de minimiser la consommation d’eau par l’utilisation de faibles ratios liquide/solide, de ne pas produire d’inhibiteurs de fermentation et d’être rapide, compact, continu et adaptable sur différentes biomasses. / Lignocellulosic biomass transformation processes in order to produce second generation bioethanol are actually widely studied all around the world but still not yet competitive compare to the first generation. The limiting key factors of the different processes are: the pre-treatment efficiency and costs, the enzymatic hydrolysis yields, and the co-fermentation C5-C6. A continuous plant matter deconstruction process, compacting a thermo-mechanico-chemical pre-treatment using alkali solution with an enzymes injection in twin-screw extruder, called bioextrusion, is developed in this study. It allows preparing the cellulosic material at a high dry matter content (>20%), to a possible simultaneous saccharification and fermentation (SSF). This continuous treatment may extract a big part of hemicelluloses (until 97%) and lignin (>50%) and configures cellulose to a better accessibility and a start of its depolymerisation by enzymes cocktail during the bioextrusion. Several raw matters (Sweet Corn Cob and Spathe, Blue Agave Bagass, Oil Palm Empty Fruit Bunch, Barley Straw, Eucalyptus Residue, Grape Pruning Residue and Sugarcane Bagass) have been characterized and theirs behaviours toward to the process were compared. Evolutions of these matters compositions throughout the process and their hydrolysability have been studied. Further to the treatment, an improvement of the saccharification yields in reactor (24h reaction time at 20% consistency) has been obtained on these matters (until 85% of theoretical C6 and 70% of theoretical C5-C6). The not optimized fermentation yields reach a maximum of 85% of theoretical converted C6 sugars, 65% of theoretical converted C5-C6 sugars, and an ethanol concentration of 15g/100g dry matter extrudate. The whole ethanol production process (with addition of energy from the recovery of the by-products) is achieved with a “consumed/produced energy” ratio of 0.5-0.6. The new process presents the advantages to minimize the energy consumption by operating low temperatures, to minimize water consumption by working at low liquid/solid ratio, to not produce fermentation ‘s inhibitors and to be quick, compact, continuous and adaptable to different biomasses.

Le développement des technologies de recombinaison en biologie moléculaire fut un point tournant pour les sciences biologiques. Depuis cette découverte, diverses avancées extraordinaires qui ont un impact direct sur les humains ont pu être accomplies dans les domaines de recherches qui découlent de cette technologie. L’étude des enzymes produites en utilisant cette technique est le fondement de leurs applications éventuellement accessibles. À cet effet, la biocatalyse est un sous-domaine de l’enzymologie en développement continuel. Les chimistes et ingénieurs utilisent les composantes de systèmes biologiques ou même des systèmes complets afin de complémenter ou remplacer des méthodologies existantes. Cette thèse étudie la famille d’enzymes transglutaminase (TGase) comme biocatalyseur afin d’explorer et d’étendre l’ubiquité et les innovations rendues possibles grâce aux enzymes. Les TGases sont des enzymes versatiles. Leur homologue bactérien, la transglutaminase bactérienne (MTG), est couramment utilisé à l’échelle industrielle pour la transformation alimentaire. Depuis une dizaines d’années, de nombreux efforts ont été faits afin de trouver de nouvelles applications des TGases. En premier lieu, une revue des accomplissements, progrès et défis reliés au développement des TGases sera décrite. Les TGases sont intrinsèquement des catalyseurs de la formation de lien isopeptidiques entre une glutamine et une lysine. Par ce fait, elles ont été initialement testées dans cette thèse pour la synthèse de peptides. Une forme de l’enzyme TGase de mammifères fut en mesure de générer les composés dipeptidiques Gly-Xaa et D-Ala-Gly avec une faible conversion. La MTG possède plusieurs caractéristiques qui font de cette enzyme un candidat intéressant pour le développement de biotechnologies. Elle est stable, non dépendante d’un cofacteur et connait peu de compétition pour sa réaction catalytique inverse. La majeure partie de cette thèse porte exclusivement sur l’utilisation de la MTG. Nous avons développé et caractérisé une réaction chimio-enzymatique en un seul pot pour la conjugaison de peptides et protéines. La présence de glutathion en quantité suffisante permet de contourner l’incompatibilité de la MTG avec le cuivre et ouvre la porte à l’utilisation de la réaction de cycloaddition entre un alcyne et un azoture catalysée par le cuivre, afin d’effectuer le marquage fluorescent de protéines. L’utilisation d’autres méthodes de chimie « click » sans métaux fut aussi étudiée afin d’incorporer divers substrats protéiques. Le marquage de protéines avec la MTG fut investigué de manière combinatoire. Précisément, la ligation de Staudinger, la cycloaddition azoture-alcyne promue par la tension de cycle, ainsi que la ligation de tetrazine (TL) ont été testées. Différents niveaux de conversion ont été atteints, le plus prometteur étant celui obtenu avec la TL. Une étude par cristallographie a été effectuée afin d’élucider comment les substrats contenant une glutamine interagissent avec la MTG. Une méthode de purification alternative de la MTG a été développée afin d’atteindre ce but. Une discussion sur les stratégies et défis est présentée. Finalement, la conjugaison entre un système contenant la MTG comme biocatalyseur de marquage, le domaine B1 de la protéine G (GB1) comme substrat et d’un fluorophore contenant une amine comme sonde fut étudié. Comme deux des constituants de ce système sont des protéines, l’ingénierie d’enzyme peut être entreprise afin d’améliorer leurs propriétés. Une banque de 24 variantes de GB1 fut construite grâce à une approche semi-rationnelle afin d’investiguer quels facteurs sont déterminants pour la sélectivité de la MTG envers la glutamine. Chaque variante étudiée comportait une seule glutamine à une position variable afin d’évaluer l’impact des éléments de structure secondaire où se retrouve la glutamine. L’efficacité pour le marquage a pu être améliorée d’au moins un ordre de grandeur pour huit des substitutions étudiées. Comme chacune des structures secondaires fut marquée, il fut démontré que la MTG n’en préfère pas une en particulier. De plus, la réactivité de la MTG envers la variante I6Q-GB1 fut augmentée en créant des mutations dans son site actif. Ces résultats permettent de comprendre d’avantage la sélectivité de la MTG envers la glutamine, tout en démontrant le potentiel de cette enzyme à être modifiée afin d’être améliorée. / The development of recombinant molecular biology technologies was a turning point for the biological sciences, which has since evolved into dozens upon dozens of different subfields and contributed to extraordinary advances for humans. At the core of many of these advances are the enzymes produced by these techniques, with efforts to understand their form and function laying the groundwork for their application. One of these continuously advancing subfields rooted in enzymology is biocatalysis, in which chemists and engineers embrace biological components and systems to complement, or even replace, existing methodologies. This thesis seeks to further contribute to the advancement and ubiquity of enzymes to be incorporated into future innovations. To this end, transglutaminase (TGase) is the biocatalyst selected for study. TGases are versatile enzymes, with the bacterial homolog, microbial transglutaminase (MTG) being readily used in industrial processes for years, particularly for food processing. An abundance of efforts seeking to apply TGases to other processes have been made within the last decade. We commence by reviewing the accomplishments, progress, and challenges to developing TGase towards new goals. TGase naturally catalyzes the formation of isopeptide bonds utilizing a glutamine and lysine substrates, and one of its first unconventional applications we investigated was for peptide synthesis. We determined the ability and specificity of one form of TGase for various amino acid-derived substrates, observing the formation of Gly-Xaa and D-Ala-Gly dipeptide products, albeit at a low conversion. MTG exhibits several characteristics that make it an appealing candidate for biotechnological development, such as its independence from a cofactor, little competition for its reverse catalytic reaction, and increased stability relative to mammalian TGases. Therefore, the remainder of this thesis pertains exclusively to MTG. We developed and extensively characterized a one-pot chemoenzymatic peptide and protein conjugation scheme. The presence of sufficient glutathione circumvents the incompatibility of the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition with MTG owing to the presence of copper. We ultimately utilized this chemoenzymatic conjugation scheme for fluorescent protein labeling. We continue to expand upon combinatorial methods to undertake protein labeling by investigating to what extent metal-free click chemistries can be utilized in combination with MTG. Specifically, the Staudinger ligation, strain-promoted azide-alkyne cycloaddition, and tetrazine ligation (TL) were assayed on protein substrates to reveal varying levels of effective conjugation, with the TL being the most promising of the three. The details surrounding the manner in which MTG interacts with its glutamine-containing substrate remains unclear. To address this knowledge gap, we sought to pursue crystallography studies, which required the development a modified purification strategy. We discuss the strategies we investigated and the challenges surrounding such efforts. Finally, we present a conjugation system consisting of MTG as the labeling biocatalyst, the B1 domain of Protein G (GB1) as a substrate, and a small-molecule amine belonging to a recently developed class of fluorophores as a probe. As two components of this system are proteins, enzyme engineering can be applied to further improve their properties. A semi-rational approach was used to generate a 24-member GB1 library to probe the structural determinants of MTG’s glutamine selectivity. Each variant contained a single glutamine at varying positions covering all secondary structure elements, and assayed for reactivity. Eight substitutions resulting in an increased labeling efficiency of at least an order of magnitude were distributed throughout all secondary structure elements, indicating that MTG does not favor one preferentially. In addition, introducing point mutations within MTG’s active site also resulted in increased reactivity towards variant I6Q-GB1. Our results contribute further to understanding the nature of MTG’s glutamine selectivity, while simultaneously demonstrating the potential enzyme engineering has to improve and adjust this system.

Pollution et agriculture urbaine (AU) sont deux mondes interconnectés soumettant les villes au défi de la durabilité, dans un contexte où la pollution aux metalloïdes augmente au moins autant que l'intérêt pour l'agriculture urbaine. Les biofertilisants / bioamendements utilisés en AU (champignons mycorhiziens à arbuscules, compost, biochar) peuvent influencer la mobilité des polluants du sol. Cette étude vise à mieux comprendre le devenir de contaminants inorganiques géogéniques et anthropiques, majeurs (Cd, Pb) ou émergents (Sb), dans des systèmes sol-plante-biofertilisant et leur bioaccessibilité pour l'homme. Si la mobilité des polluants est modifiée par les biofertilisants, le type de source influence aussi leur bioaccessibilité. La communauté fongique semble cruciale dans ces phénomènes mais est impactée par l'ajout de compost. Ainsi, l'utilisation de ces biofertilisants sur sol pollué est à raisonner du fait des interactions multiples affectant la phytodisponibilité des polluants. / Urban agriculture (UA) and pollution are two worlds more inter-connected every day, creating one of the main challenges of sustainable cities as persistent metal(loid) contamination increases as much as the interest for urban agriculture. Biofertilizers and bioamendments used in UA (arbuscular mycorrhizal fungi, compost, and biochar) can influence the mobility of contaminants in soil. This study aims to better understand the fate of anthropic or geogenic, major (Cd, Pb) and emerging (Sb), inorganic contaminants in soil-plant-biofertilizer systems and their human bioaccessibility. While contaminant mobility in soil is affected by biofertilizers, their origin influences also their bioaccessibility. The fungal community seems crucial in this phenomenon but is impacted by compost addition. Hence, using these biofertilizers in contaminated soils has to be thought wisely because of the multiple interactions affecting contaminant's phytoavailability.

Dans le but de développer des matériaux à partir d’une ressource renouvelable de moindre coût que l’amidon, des matériaux à base de farine de maïs ont été élaborés par extrusion-injection. La caractérisation des propriétés physico-chimiques de ces matériaux a révélé que le taux de glycérol (ajouté à la farine de maïs en tant que plastifiant) et le profil des zones de cisaillement employé lors de l’extrusion influencent significativement le taux de déstructuration de l’amidon et des protéines de la farine de maïs. Ceci a pu être établi en croisant notamment les résultats de l’analyse par diffraction aux rayons X, par spectroscopie infra-rouge à transformée de Fourier, de l’analyse calorimétrique différentielle à balayage à des observations par microscopie confocale à balayage laser des matériaux. De plus, le suivi des cinétiques d’hydrolyse en sucres réducteurs de l’amidon par des enzymes amylolytiques en présence et en absence d’enzymes protéolytiques a pu être relié à la déstructuration des protéines. Les matériaux obtenus présentent cependant des inconvénients rédhibitoires pour certaines applications comme l’hygroscopie élevée et le vieillissement rapide dans le temps. L’ajout de polybutylène succinate (PBS) au mélange farine-glycérol a cependant permis de conduire à une amélioration des propriétés mécaniques et à une réduction de l’hygroscopie de ces matériaux. Les observations de la morphologie de ces matériaux par microscopie électronique à balayage ont montré que la farine de maïs et le PBS sont incompatibles et présentent une morphologie qui varie selon le taux de PBS dans le mélange (30, 50 ou 70%). L’étude de la cinétique d’hydrolyse de l’amidon de la farine de maïs par des enzymes amylolytiques a permis de mettre en évidence l’influence de plusieurs facteurs : (i) la cristallinité de l’amidon, (ii) l’aire spécifique, (iii) la porosité et (iv) la morphologie des matériaux. De plus, l’évaluation de la biodégradation par voie microbienne en milieu liquide et solide par voie aérobie ou anaérobie a montré les mêmes tendances globales que les résultats obtenus par voie enzymatique. Ainsi, les matériaux élaborés à partir des formulations présentant des proportions de PBS excédant 50 % ne sont pas biodégradables au sens de la norme ISO 14855/1999 et sont également faiblement hydrolysés par les enzymes amylolytiques. / In order to develop materials from a cheaper renewable resource than starch, materials based on corn flour were prepared by extrusion and injection. The physicochemical characterization of these materials revealed that the glycerol content (used as plasticizer) and the profiles of shear zones used during extrusion significantly influence the destructuration intensity of starch and proteins of that composed corn flour. This could be established by combining the results of X-ray diffraction analysis, Fourier transform infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, and laser scanning confocal microscopy observations. In addition, the kinetics of the hydrolysis of starch into reducing sugars by amylolytic enzymes in the presence and absence of proteolytic enzymes significantly differed only when the initial structuration of proteins in corn flour was preserved. The materials obtained presented limitations for some applications namely due to their high hygroscopicity and rapid aging over time. The addition of polybutylene succinate (PBS) to flour-glycerol mixture improved mechanical properties and reduced hygroscopicity of the materials. The observation of these materials by scanning electron microscopy showed that corn flour and PBS are incompatible and have a morphology that varies according to the PBS content in the mixture (30, 50 or 70%). The study of the hydrolysis kinetics of starch corn flour by amylolytic enzymes contributed to highlight the influence of several parameters : (i) starch crystallinity, (ii) specific area, (iii) porosity, and (iv) material morphology. In addition, the evaluation of the microbial biodegradation in liquid and solid media aerobically or anaerobically showed the same overall trends as the results obtained by enzymatic hydrolysis. Thus, materials produced from formulations having PBS ratios exceeding 50% are not biodegradable according to the ISO 14855/1999 and are weakly hydrolyzed by amylolytic enzymes.

Ces travaux de thèse CIFRE, réalisés au sein du Laboratoire de Biotechnologie et Chimie Marines de l’Université de Bretagne-Sud et du Groupe Olmix, s’inscrivent dans le cadre d’un projet national de valorisation de biomasses d’algues vertes, le projet ULVANS. Ce projet est le fruit d’une collaboration entre cinq industriels bretons et deux laboratoires universitaires. Les objectifs de ces travaux de thèse concernent i) la caractérisation approfondie de la matière première, en particulier des polysaccharides matriciels solubles (ulvanes) et des protéines, ii) la mise au point d’un procédé d’extraction assistée par enzymes des métabolites algaux, iii) la caractérisation biochimique et moléculaire des hydrolysats enzymatiques, avec pour objectif la compréhension de l’effet des enzymes commerciales sur les algues, iv) l’évaluation des activités antioxydantes et antivirales des hydrolysats, v) l’étude de l’influence des paramètres d’hydrolyse en vue de déterminer les conditions optimales pour l’extraction des métabolites d’intérêt et enfin vi) de conclure, à partir des éléments fournis par l’étude, sur la viabilité d’un tel procédé à l’échelle industrielle. En conclusion de ces travaux, l’hydrolyse enzymatique apparait comme un procédé intéressant pour le bioraffinage des algues vertes. Bien que les préparations enzymatiques commerciales utilisées ne soient pas spécifiques des composés algaux, les protéases ont conduit à une augmentation significative des rendements d’extraction, alors que l’effet des carbohydrases reste modéré. L’étude de l’influence des paramètres d’hydrolyses a confirmé les résultats préliminaires et montré que la température, la concentration d’enzyme et la méthode de broyage présentaient peu d’effets sur les activités des protéases testées. Un résultat majeur de cette étude aura été la mise en évidence d’activités anti-herpétiques dans les hydrolysats. La caractérisation des fractions actives a montré que les activités étaient liées à la présence de protéines ou glycoprotéines dans les extraits. Ce résultat présente un intérêt majeur car à l’heure actuelle, a priori, aucune activité de ce type n’a été identifiée chez Ulva sp. / This PhD Thesis works, conducted in the Laboratoire de Biotechnologie et Chimie Marines of the Université de Bretagne-Sud and in the Olmix Group, was included in a national project for the upgrading of green seaweed biomasses, the Ulvans project. This project results in the collaboration of five industrial companies and two academic research laboratories. The objectives of this thesis works had been i) the characterization of the raw material, particularly the soluble matrix polysaccharides (ulvans) and proteins, ii) the development of an enzyme-assisted extraction process of algal metabolites, iii) the biochemical and molecular characterization of the enzymatic hydrolyzates, with the aim of understanding the effect of enzymes on algae thallus, iv) the screening of antioxidant and antiviral activities of hydrolyzates, v) the study of the influence of hydrolysis parameters to determine the optimum conditions for the extraction of metabolites of interest and finally vi) to conclude, according to the results provided by this study, on the viability of the industrial upscaling of the process. In conclusion of this work, enzymatic hydrolysis appeared to be an effective process for biorefinery of green seaweeds. Although commercial enzymatic preparations were not specific of algal compounds, protéases led to a significant increase in the extraction yields, whereas the effect of carbohydrases were moderate. The study of hydrolysis parameters confirmed the preliminary results and showed that the temperature, the concentration of enzyme and the grinding method had no effect on the protease used. A major result of this study has been the highlighting of anti-oxidant and anti-herpetic compounds in hydrolyzates. The antiviral activity of ulvans had several times been demonstrated but the biochemical characterization of actives fractions showed that the activity could be associated to proteins or glycoproteins. This result is very interesting because, a priori, any antiviral activity has also been related to this type of compounds in Ulva sp.

Ce travail a consisté, dans un premier temps, à extraire et à identifier les flavonoïdes majeurs contenus dans les feuilles de Nitraria retusa et à évaluer leurs activités biologiques. Quatre flavonoïdes ont été identifiés dans les extraits et les fractions obtenus : l’isorhamnétine, l’isorhamnétine-3-O-glucoside et les deux isomères isorhamnétine-3-O-rutinoside et isorhamnétine-3-O-robinobioside. L’étude des activités biologiques des extraits et des fractions de N. retusa a permis d’établir une relation linéaire entre leur teneur en flavonoïdes et leurs activités antioxydantes et antiprolifératives, les milieux les plus riches présentant les activités les plus importantes. Ces activités dépendent également de la nature des flavonoïdes présents ; ainsi, la très forte activité d’inhibition de la xanthine oxydase relevée pour la fraction au chloroforme et sa grande capacité à piéger le radical DPPH ont été attribuées à sa teneur élevée en isorhamnétine, flavonoïde aglycone présentant une grande analogie structurale avec la quercétine, molécule bien connue pour ses activités antioxydantes. Dans un deuxième temps, l’acylation enzymatique de l’isoquercitrine, flavonoïde modèle, et de l’isorhamnétine-3-O-glucoside a été étudiée pour tenter d’améliorer leurs propriétés. L’acylation enzymatique de l’isoquercitrine par des esters éthyliques d’acides gras de différentes longueurs de chaîne, catalysée par la lipase B de Candida antarctica, a montré que les performances de la réaction sont inversement proportionnelles à la longueur de la chaîne du donneur d’acyle. Des résultats similaires ont été obtenus lors de l’acylation de l’isorhamnétine-3-O-glucoside. Les activités des esters d’isoquercitrine et d’isorhamnétine-3-O-glucoside ont été évaluées et comparées à celles des flavonoïdes non acylés. Les esters ont montré des activités antiprolifératives vis-à-vis de cellules Caco2 et d’inhibition de la xanthine oxydase plus importantes que celles des molécules d’origine. Finalement, ce travail a permis d’apporter des éléments de compréhension de la relation structure-activité de flavonoïdes et de leurs dérivés acylés / The present work firstly consisted in studying the extraction and the identification of major flavonoids contained in Nitraria retusa leaves and evaluating their biological activities. Four flavonoids were identified in extracts and fractions: isorhamnetin, isorhamnetin-3-O-glucoside and the two isomers isorhamnetin-3-O-rutinoside and isorhamnetin-3-O-robinobioside. The evaluation of the biological activities of extracts and fractions of N. retusa allowed to establish a linear relationship between their antioxidant and antiproliferative activities and their total flavonoids content, the most enriched exhibiting the highest activities. The nature of the flavonoids present in the extracts and fractions was shown to be important too. Thus, the strong xanthine oxidase inhibition activity and the high DPPH radical scavenging capacity observed for the chloroform fraction can be attributed to its high content in the aglycone flavonoid isorhamnetin, a structural analogue of quercetin which is well known for its antioxidant activities. In a second part, the enzymatic acylation of isoquercitrin as a model compound and isorhamnetin-3-O-glucoside was studied in order to improve their properties. The enzymatic acylation of isoquercitrin by fatty acid ethyl esters of different chain lengths, catalyzed by the lipase B of Candida antarctica, showed that the performance of the reaction is inversely proportional to the acyl donor chain length. Similar results were obtained when acylating the isorhamnetin-3-O-glucoside. The activities of isoquercitrin and isorhamnetin-3-O-glucoside esters were determined and compared to that of initial flavonoids. Esters exhibited higher antiproliferative towards Caco2 cells and xanthine oxidase inhibition activities than original compounds. Finally, this work led to a better understanding of the structure-activity relationship of flavonoids and their acylated derivatives

Le séchage est un procédé de transformation largement répandu dans le monde qui permet d'augmenter significativement la durée de conservation des denrées alimentaires et d'apporter une valeur ajoutée aux produits. Le traitement thermique appliqué lors de cette opération peut causer des modifications physiques, chimiques et biochimiques aboutissant à des altérations des qualités nutritionnelles et organoleptiques des produits séchés. La couleur est le premier attribut perçu par le consommateur et est généralement corrélé à une représentation de la qualité globale du produit. La maîtrise du brunissement est donc capitale pour préserver le potentiel commercial des produits alimentaires. La filière mangue séchée biologique du Burkina Faso constitue le cadre d'étude de ces travaux de thèse axés sur la compréhension des phénomènes impliqués dans le brunissement des mangues au cours de l'opération de séchage et pendant le stockage. L'objectif principal est d'identifier les paramètres majeurs influant sur le brunissement enzymatique et non-enzymatique afin de proposer des voies d'amélioration de la qualité du produit pertinentes. Une approche expérimentale permettant d'étudier les effets spécifiques de la température et de l'activité de l'eau indépendamment des autres paramètres nous a permis d'identifier les points critiques du procédé induisant des altérations de la couleur. / Drying is a world common transformation process which significantly increase the food shelf-life and the added value of the products. The heat treatment applied during this operation can provoke physical, chemical and biochemical modifications resulting to alterations in nutritional and organoleptic properties of dried products. Color is the first property perceived by the consumer and is generally correlated with a global representation of product quality. Browning knowledge is essential to conserve the commercial potential of food. Dried mango sector in Burkina Faso constitute a part of my course thesis based on the understanding of phenomena involved in the mango browning during drying process and then during the storage. The global objective is to identify the main parameters affecting the enzymatic and non-enzymatic browning in order to propose optimized technological ways improving the final quality of the dried mango products. Experimental approach offering possibility to study temperature and water activity specifics effects independently to other parameters allowed us to identify critical points of the process occurring color variations.

VKORC1 est une enzyme membranaire du réticulum endoplasmique, responsable de la réduction de la vitamine K époxyde en vitamine K quinone, activant la synthèse des facteurs de coagulation. VKORC1 constitue ainsi une cible thérapeutique privilégiée des anticoagulants de type anti-vitamine K (AVKs). Cependant, certaines mutations de VKORC1 induisent une dérégulation physiologique et/ou une résistance aux AVKs. En l’absence de données structurales, plusieurs modèles topologiques de VKORC1 ont été proposés à partir des données biochimiques et biophysiques, fréquemment contradictoires. La topologie de VKORC1 ainsi que l'implication des résidus de cystéine (strictement conservés chez toutes les VKORs) dans le mécanisme enzymatique de la protéine restent incertaines. Nous avons construit, par des méthodes in silico, un modèle 3D de la VKORC1 humaine sauvage (hVKORC1WT) à l'échelle atomique. Des simulations de dynamique moléculaire de la protéine, en considérant tous les résidus de cystéine sous leur forme oxydée (SH), nous ont permis d'identifier les résidus de cystéine les plus susceptibles de former des ponts disulfures. Nous avons par conséquent décrit les conformations métastables de hVKORC1WT mimant les états fonctionnels de la protéine. L’étude de la reconnaissance des formes époxyde et réduites de la vitamine K par les conformations prédites de hVKORC1WT a mis en évidence leur sélectivité réciproque. Les conformations de hVKORC1WT ciblées par chaque forme de la vitamine K et leur rôle dans le mécanisme de réduction de la molécule ont ainsi été caractérisés. Nous avons postulé à partir de ces résultats le mécanisme enzymatique détaillé de hVKORC1WT et proposé la structure-cible des AVKs. Les interactions entre la cible prédite - hVKORC1WT à l'état actif - et trois AVKs différents ont été décrites en termes d’énergie libre de liaison. Ces résultats ont été corrélés avec les constantes d'inhibition mesurées in vivo, validant nos prédictions théoriques. Notre protocole, développé pour hVKORC1WT, est applicable aux formes mutées de l’enzyme. Il permettra la description des mécanismes modifiant l'activité réductase de hVKORC1 et/ou provoquant une résistance aux AVKs. Cette description ouvre la voie à la conception d'une nouvelle génération d'inhibiteurs surmontant les résistances aux AVKs. Notre concept et le protocole établi pour l’étude de hVKORC1 peuvent être étendus à l'analyse des VKORs mammaliennes et aux autres enzymes de la famille des oxydoréductases. / VKORC1 is an endoplasmic reticulum membrane-resident enzyme, responsible for vitamin K epoxide reduction to vitamin K quinone that activates coagulation factors synthesis. VKORC1 is thus a prominent target of vitamin K agonists (VKAs) in anticoagulant therapies. However, some VKORC1 mutations lead to physiological dysregulation and/or VKAs resistance. No VKORC1 structural data is available, and postulated topological models are based on biochemical and biophysical experimental observations frequently contradicting. Topology of VKORC1 and involvement of cysteines residues (highly conserved in VKORs) in the protein enzymatic mechanism remain unclear. We built an in silico 3D model of the wild-type human VKORC1 (hVKORC1WT) at the atomistic scale. Molecular dynamics simulations of the protein model, carrying all the cysteines residues in their oxidized form (SH), were used for identification of cysteines residues which may plausibly form disulfide bridges. We thus described hVKORC1WT metastable conformations depicting the functionally relevant states of protein. Study of the vitamin K (in epoxide and in reduced forms) recognition by the predicted conformations of hVKORC1WT revealed their reciprocal selectivity. The hVKORC1WT conformations targeted by each vitamin K form were established and their role in the reduction mechanism of this molecule was explained. Using our results, we postulated the comprehensive enzymatic mechanism of hVKORC1WT and we proposed the 3D structure as the VKAs target. Interactions between the predicted target - hVKORC1WT active state - and three different VKAs were characterized. The obtained affinities (free binding energy) were in good correlation with in vivo measured inhibition constants (Ki), thus validating our theoretical predictions. Our protocol developed for hVKORC1WT is suitable for a study of its mutants. Description of the enzymatic mechanisms of mutated hVKORC1 will lead to understanding of the modified reductase activity or/and to explaining of its resistance to VKAs. Such data are crucial for the development of novel strategies in the design of a new generation of inhibitors overcoming VKAs resistance. Our concept and the established in silico protocol can be extended to analysis of mammalian VKORs and other oxidoreductases family proteins.

Les micropolluants d'origine pharmaceutique tels que les antibiotiques, les hormones, les anti-inflammatoires ou les médicaments anticancéreux sont généralement réfractaires aux procédés classiques de traitement des eaux et leur rejet dans l'environnement même à l'état de traces (< µg/L) pose de réels problèmes environnementaux et de santé publique. Le traitement de ces effluents par voie enzymatique semble être une alternative intéressante et ce d'autant plus si le biocatalyseur est immobilisé directement à la surface d'une membrane afin d'améliorer sa stabilité et permettre sa réutilisation. Le travail à réaliser dans le cadre de cette thèse vise la conception et l'optimisation de bioréacteurs destinés à la dégradation de micropolluants ciblés. Réalisé dans le cadre d'un contrat Européen (ENDETECH), ce travail est une collaboration avec d'autres équipes de recherche européennes en charge de sélectionner les biocatalyseurs et de mettre au point les méthodes analytiques de détection et de caractérisation des produits de la réaction. / Pharmaceutical micropollutants such as antibiotics, hormones, anti-inflammatory or anti-cancer drugs are usually reluctant to conventional wastewater treatment processes and their disposal in the environment, even at low concentrations (< µg/L) may have an impact on human health. The enzymatic treatment of these effluents seems a promising alternative if the biocatalyst is immobilized on a membrane to enhance its stability and to enable its reuse. This thesis work aims at designing and optimizing bioreactors for micropollutants degradation. It is a collaboration (ENDETECH project) with other European research teams in charge of selecting the biocatalysts and developing analytical methods for the detection and characterization of transformation products.

L’hydrolyse enzymatique de la β-lactoglobuline (β-LG) génère un nombre conséquentdepeptides dont certains possèdent desactivités biologiques. Cependant, l’étape d’hydrolyse peut être améliorée en diminuant le temps de réaction tout en générant unrendementpeptidique plus important. Ainsi, plusieurs travauxse sont intéressés à l’utilisation des hautes pressions hydrostatiques (HPH)afin d’engendrer une dénaturation de la β-LG et ainsi accélérer l’étape d’hydrolyse enzymatique et la production de peptides bioactifs. Cependant, les HPHimpactent également surles profils peptidiques par une modification du ratio peptideshydrophiles/hydrophobes. Une telle modification est ainsi susceptible d’avoir une répercussion négative sur les performances de l’ultrafiltration (UF) lors du fractionnement et de la concentration des peptides bioactifs. Par conséquent, ce projetvisaità étudier l’impact d’un prétraitement de la β-LG parlesHPH (400 et 600 MPa, 10 min) sur les performances du procédé d’UFlors de la séparation d’un hydrolysat trypsiquede β-LG. Suite aux étapes d’UF en mode recirculation et concentration, il a été démontré qu’un prétraitement de la β-LG à 400 MPaa permisde générer des hydrolysats dont les abondances peptidiques, y compris celles de certains peptides bioactifs (VAGTWY et ALPMHIR) étaient supérieures comparativement aux autres conditions(0.1 et 600 MPa).Cependant, à 400 MPa, les flux de perméationétaient inférieursde 31%. La désorption peptidique des membranes d’UFa permis d’identifierle peptide antihypertenseur ALPMHIRcomme l’espèce colmatante majeure. Cependant, et spécifiquement à 400 MPa, d’autres peptides chargés négativement ont été caractérisés, notamment VAGTWY (peptide antidiabèteet antioxydant). Par conséquent, bien qu’un prétraitement par les HPH à 400 MPa permette une augmentation des rendements peptidiques, les performances de l’UF sont considérablement réduites. / Enzymatic hydrolysis of β-lactoglobulin (β-LG) generates a large amount of peptide species including some bioactive peptides.However, the stepof protein hydrolysis can be improved by decreasing the digestion time while increasing the peptide yield. Several studies focused on the use of high hydrostatic pressure (HHP) to improve the denaturationof the native β-LG structure and thus to accelerate its enzymatic hydrolysis and yieldof bioactive peptides.Nevertheless, HHP is reported to affect the resulting peptide profiles by modifying hydrophobic/hydrophilic peptides ratiowhich may negatively affect the performance of ultrafiltration (UF) used to fractionate and concentrate bioactive peptides.Therefore, the aim of this project was to evaluate the performances of UF forthe filtration of tryptic hydrolysates generated after pre-pressurization ofβ-LGat 400 and 600 MPafor10min.After hydrolysate fractionation by UF in total recirculation modeand concentration modes, it has been demonstrated that β-LGpre-pressurization at 400 MPainduced the recovery ofhigher peptide relative abundance in the hydrolysates, including several bioactive peptides (VAGTWY and ALPMHIR), compared to other conditions(0.1 and 600 MPa).At the same time, permeate fluxes were 31% lower at 400 MPa. Characterization of peptide desorbedfrom UF membranes has shown that the antihypertensive peptide (ALPMHIR) was identified as the main fouling peptide.However, other negatively charged peptides were specifically identified at 400 MPa, including VAGTWY (an antioxidant and antidiabetic peptide). Consequently, while pre-pressurization of β-LGat400 MPa improved the recoveryof bioactive peptidescompared to other conditions, UF performances were negatively impacteddue to thisHHP pretreatment.