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

Les enzymes sont les catalyseurs de toutes les réactions biochimiques. Leur dérégulation peut être impliquée dans de nombreuses pathologies graves. L’étude de ces réactions est importante pour dépister les anomalies, mieux comprendre le fonctionnement des enzymes et rechercher des modulateurs de leur activité. Le présent travail de thèse présente différents types d’essais enzymatiques basés sur l’électrophorèse capillaire pour étudier la cinétique d’enzymes variées. Le mode pré-capillaire où la réaction enzymatique est effectuée à l’extérieur du capillaire et les essais homogènes en-ligne en mode discontinu où la réaction est réalisée dans le capillaire, sont appliqués. Les méthodes développées sont optimisées pour assurer un mélange optimal des réactifs et une bonne séparation électrophorétique. Les constantes cinétiques et d’inhibition (Vmax, Km et IC50) de la réaction enzymatique sont déterminées et comparées à celles obtenues par les techniques classiques. Pour les essais en-ligne, plusieurs types de mélange (par application d’un champ électrique, par diffusion longitudinale ou diffusion transversale) des créneaux de réactifs sont utilisés selon le système enzymatique étudié. Finalement, jusqu’à quatre réactifs injectés successivement dans le capillaire sont mélangés avec succès. De nombreux essais sont effectués sur des matrices complexes (cellules, extraits de plantes). Le criblage d’inhibiteurs de référence et de synthèse est réalisé sur plusieurs kinases humaines : CDK1/cycline B, CDK5/p25, DYRK1A, GSK3!, PI3K, Akt et mTOR. Les essais développés se sont avérés être simples, rapides, quantitatifs, économes en réactifs et répétables. / Enzymes catalyze all enzymatic reactions. Their deregulation can be involved in several severe diseases. The study of these reactions is important to detect anomalies, to better understand enzyme functioning and to seek modulators of their activity. This thesis presents capillary electrophoresis based enzymatic assays developed to study kinetics of various enzymes. The pre-capillary mode in which the enzymatic reaction occurs outside the capillary and the incapillary plug-plug mode of homogenous assays where the reaction is performed inside the capillary are applied. The methods developed are optimized to ensure optimum reactant mixing and a good electrophoretic separation. The kinetic and inhibition constants (Vmax, Km and IC50) of the enzymatic reaction are determined by these assays and compared to the results obtained using conventional techniques. For in-capillary assays, several mixing types (by application of an electric field, by longitudinal diffusion or transverse diffusion) of the reactant plugs are used depending on the enzymatic system studied. Finally, up to four reactants injected successively in the capillary are successfully mixed. Many assays are performed on complex matrices (cells, plant extracts). Screening of referenced and synthesized inhibitors on several human kinases: CDK1/cyclin B, CDK5/p25, DYRK1A, GSK3!, PI3K, Akt and mTOR are performed. Developed assays proved to be quantitative, simple, economic, fast and robust.

La L-asparaginase est une enzyme d’intérêt thérapeutique pour le traitement des leucémies aigües lymphoblastiques participant à l’hydrolyse de son substrat naturel L-asparagine conduisant à l’apoptose des cellules cancéreuses. À ce jour, la L-asparaginase d’origine bactérienne fait partie intégrante des formulations car possédant des activités catalytiques élevées mais provoquant de nombreux effets secondaires liés à une immunogénicité. Trois enzymes avec une activité Lasparaginase produites chez l’homme ont été découvertes récemment mais possèdent des activités catalytiques qui sont 1000 à 2000 fois inférieures aux enzymes d’origine bactérienne. Augmenter l’activité catalytique de ces enzymes par évolution dirigée pourraient permettre leurs utilisations en thérapeutique en plus de potentiellement participer à la réduction de l’immunogénicité chez les patients. Ces travaux de doctorat décrivent le développement d’outils pour l’expression etla détection de l’activité L-asparaginase à l’échelle d’une cellule individuelle. La L-asparaginase d’E. coli, utilisée en thérapeutique, a servi de référence et a permis de démontrer que le test AUR est le plus adapté pour la mesure de l’activité en microfluidique. L’expression de l’enzyme à partir de différents vecteurs d’expression a montré que l’expression périplasmique semble la plus adaptée pour le ciblage permettant un bon rendement et une bonne accessibilité pour le substrat. La viabilité des cellules à l’issu des mesures a été aussi démontrée. Ces outils pourront être directement utilisés pour le criblage de banques de mutants de L-asparaginase d’origine humaine en microfluidique. Les propriétés de la L-asparaginase ont aussi été utilisées pour démontrer la potentielle utilisation de billes de silice en tant que biocatalyseurs où sont confinées des bactéries. Ces billes sont des excellents supports pour la croissance de microorganismes qui peuvent rester viables au-delà d’une semaine. L’expression d’enzymes peut être induite et l’activité catalytique être aisément contrôlée en faisant varier la concentration bactérienne au sein du matériau. La combinaison de différentes populations bactériennes offre la possibilité d’effectuer des réactions en cascade. Le recyclage de ces billes pour différents cycles de réactions a également été démontré. Ces matériaux bioactifs peuvent avoir de nombreuses applications dans le domaine des biotechnologies. / L-asparaginase is an enzyme of therapeutic value for the treatment of acute lymphoblastic leukemia. Ths enzyme catalyzes the hydrolysis of L-asparagine conducting to apoptosis of cancer cells. To date, L-asparaginase of bacterial origine is used in the treatments due to high catalytic activities but causing a number of side effects linked with an immunogenicity. The human produces three enzymes with L-asparaginase activity but their catalytic activities are 1000 to 2000 times lower than the bacterial enzymes. Increase the catalytic activity of these enzymes by directed evolution could allow their uses in therapeutic in addition to potentially reduce immunogenicity in patients. This PhD work describes the development of tools for expression and detection of L-asparaginase at the single cell level for their applications in the screening of human L-asparaginase libraries in microfluidic. E. coli L-asparaginase, used in therapy, served as a reference and allowed to demonstrate that AUR assay is most suitable for measuring activity in microfluidic. Expression of the enzyme from different expression vectors showed that the periplasmic expression seems to be the most successful for screening enabling a good yield and good accessibility for the substrate. The viability of the cells following the measures has been shown. These tools might be used for the screening of mutants libraries of human L-asparaginases in microfluidic. The properties of L-asparaginase were also used to demonstrate the potential use of silica beads as biocatalysts in which bacteria are confined. These beads are excellent supports for the growth of microorganisms which may remain viable beyond one week. The expression of the enzymes may be induced and the catalytic activity can be reliably controlled by varying the concentration of bacteria within the material. The combination of various bacterial populations provides the possibility to carry out cascades reactions. The recycling of these beads for several cycles of reactions was also demonstrated. These bioactive materials have many potential applications in the field of biotechnologies.

Le vieillissement de la peau est l'un des signes extérieurs du passage du temps. Avec l’âge, la peau devient plus sèche et se ride suite à la dégradation des macromolécules de la matrice extracellulaire par des enzymes cutanées telles que l’élastase, l’hyaluronidase et la collagénase. L’objectif de ce travail de thèse est de développer des tests enzymatiques miniaturisés en électrophorèse capillaire pour cribler des extraits de plantes et identifier de nouveaux bioactifs pour la cosmétique et le bienêtre de la peau. Ces essais ont été développés soit en dehors du capillaire (qui sert uniquement de milieu de séparation) ou dans le capillaire (qui sert alors de nanoréacteur enzymatique), puis optimisés pour permettre la détermination des constantes cinétiques (Km, Vmax et IC₅₀). La diffusion transversale des réactifs (TDLFP) a été appliquée pour mélanger les créneaux de réactifs injectés dans le capillaire. Des détecteurs tels que la fluorescence induite par laser ou la spectrométrie de masse à haute résolution ont été couplés à l’électrophorèse capillaire afin d’atteindre de fortes sensibilités de détection et la possibilité d’identifier les produits de la réaction enzymatique. Ces essais miniaturisés ont été appliqués à des algues extraites par électroporation ou à des plantes régionales extraites par des technologies vertes afin d’évaluer leur activité biologique vis-à-vis des enzymes de la peau. Les essais développés sont fiables, robustes et économes en réactifs. Enfin, l’utilisation d’une nouvelle technique d’analyse, la thermophorèse à micro-échelle, s’est montrée très utile et pleine d’espoir pour l’étude des interactions enzyme-effecteur. / Skin aging is one of the exterior/external signs of the passage of time. With age, the skin becomes drier and gets wrinkled due to the degradation of macromolecules of the extracellular matrix by skin enzymes such as elastase, hyaluronidase and collagenase. The aim of this thesis is to develop miniaturized enzymatic assays by capillary electrophoresis to screen plant extracts and identify new bioactives for cosmetics and skin wellbeing. These assays were developed either outside the capillary (which serves only as a separation tool) or in the capillary (which then serves as an enzymatic nanoreactor) then optimized to allow the determination of kinetic constants (Km, Vmax and IC₅₀). Tranvserse diffusion of laminar flow profiles (TDLFP) was applied to mix the reactants injected into the capillary. Detectors such as laser-induced fluorescence or high-resolution mass spectrometry have been coupled to capillary electrophoresis to achieve high sensitivities of detection and the possibility of identifying the products of the enzymatic reaction. These miniaturized assays were applied to algae extracted by electroporation or to regional plants extracted by green technologies in order to evaluate their biological activity towards skin enzymes. The assays developed are reliable, robust and economic in reactants consumption. Finally, the use of a new analytical technique, microscale thermophoresis, was shown to be very useful and hopeful for the study of enzyme-effector interactions.