Les matériaux auxétiques ont la propriété contre-intuitive de s'élargir dans les directions perpendiculaires d'un étirement. Ils montrent potentiellement d'excellentes propriétés mécaniques, mais le défaut est que les structures synthétiques actuelles sont basées sur le niveau macroscopique, ce qui causent une porosité importante et diminue les propriétés mécaniques. Une hypothèse est qu'un mécanisme auxétique basé sur l'échelle moléculaire serait une méthode pour éviter ce problème, cependant aucune molécule ou structure organique auxétique n'a été synthétisée. Les polymères cristaux liquides du groupe de Griffin à Georgia Tech montrent un fort potentiel d'être auxétiques, néanmoins, en 2017, leurs différents matériaux ne montrent pas cette propriété. Le but de cette maîtrise est d'établir une méthode de simulation de polymères cristaux liquides potentiellement auxétiques, afin de trouver les paramètres favorisant ce comportement. La finalité du projet serait de présenter ces résultats à des groupes expérimentalistes, pour en effectuer la synthèse. Ces matériaux sont potentiellement extrêmement résistants, pouvant servir de fibre haute performance pour des applications dans des conditions extrêmes. Le premier chapitre de ce mémoire est dédié aux polymères cristaux liquides, traitant des différents types, des mésophases possibles et de leurs propriétés. L'emphase est particulièrement portée sur les polymères cristaux liquides auxétiques. Les systèmes d'intérêt pour ce projet y sont décrits plus amplement. Le deuxième chapitre est consacré aux techniques de simulation et numériques utilisées dans cette étude, telles que les méthodes ab initio et de dynamique moléculaire. Les avantanges et limitations des approches y sont présentés. Finalement, le troisième et dernier chapitre est dédié aux résultats obtenus, comme les paramètres du champ de forces obtenus, les observations reliées aux simulations par dynamique moléculaire et à la caractérisation des systèmes étudiés. Nous avons ainsi montré l'obtention d'une phase smectique A, puis smectique B à partir d'un système fondu, ce qui est, au meilleur de nos connaissances, une première dans le domaine de la simulation de polymères cristaux liquides. Cette observation rend attrayante la nouvelle méthode utilisée, qui consiste à paramétriser le champ de forces par des calculs quantiques pour des polymères cristaux liquides. Il y a cependant encore voie à de nombreuses améliorations possibles, puisque les transitions de phase sont à des températures très élevées (700K) et les simulations sont souvent instables.

La spectroscopie de dichroïsme circulaire (CD) est une des techniques fondamentales en biologie structurale qui permet la détermination du contenu en structures secondaires d'une protéine. Le rayonnement synchrotron a considérablement augmenté l’utilité de la méthode, car il permet de travailler avec une gamme spectrale étendue et à meilleure intensité. Le développement de modèles permettant d’établir une relation entre la structure d’une protéine et son spectre CD d’une manière efficace n’a pourtant pas suivi l’évolution technique et l’analyse de spectres CD de protéines entières reste un défi sur le plan théorique. Dans ce contexte, nous avons développé un modèle "minimaliste" pour la spectroscopie CD des protéines, où chaque atome C-alpha de la chaîne principale porte un oscillateur de Lorentz classique, i.e. une charge mobile qui est tenue par un potentiel quadratique. Les oscillateurs sont couplés par un potentiel coulombien et leurs déplacements suivent les tangentes locales respectives de la courbe spatiale décrite par les atomes C-alpha. Le système d'oscillateurs est couplé à une onde électromagnétique plane décrivant la source de lumière et le phénomène d'absorption est modélisé par des forces de friction. Nous montrons que le modèle reproduit correctement le phénomène CD d'une chaîne polypeptidique hélicoïdale et en particulier son signe en fonction de l'orientation de la chaîne. Comme première application, nous présentons l'ajustement du modèle au spectre CD d'un polypeptide composé de 15 résidus qui se plie sous forme d'une hélice alpha. La transférabilité de ces paramètres est ensuite évaluée pour la myoglobine, une protéine de 153 résidus contenant 8 hélices alpha. / Circular dichroism (CD) spectroscopy is one of the fundamental techniques in structural biology that allows us to investigate the secondary structure of proteins. Synchrotron radiation has considerably increased the usefulness of the method because it allows to work with a wider range of spectrum and much greater signal-to-noise ratios. The development of a theoretical model to establish a relationship between the structure of a protein and its CD spectra in an efficient manner proved to be a complex task. The calculation of the CD spectra of large molecules, such as protein, remains a challenge, due to the size and flexibility of the molecules. In this context, we have developed a “minimal” model to explain the CD spectroscopy of proteins, which associates each C-alpha position on the protein backbone with a classical Lorentz oscillator i.e. a mobile charge attaches to a corresponding atom by a quadratic potential. The coupling between charges is through the Coulomb potential and their displacements follow the direction of the respective local tangents to the Calpha space curve. This system is coupled to a planar electromagnetic wave describing the light source and the absorption phenomenon is modeled by frictional forces. We show that the model correctly reproduces the CD phenomenon of a helical polypeptide chain and in particular its sign depending on the orientation of the chain. At first, we have fitted a model to CD spectra of a polypeptide chain of 15 residues folded into alpha helix. The transferability of these parameters is then evaluated with myoglobin, a protein of 153 residues containing eight alpha helices.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la relation subtile qui existe entre lesstructures complexes des protéines et leurs fonctions encore plus raffinées que ces dernièreseffectuent. Basés sur deux descriptions différentes des protéines, à l’échelle de acide-aminé età l’echelle atomique, un de nos objectifs était de connecter des indicateurs structuraux calculésà partir de la topologie des protéines à des sites fonctionnels tels que les sites catalyiquesdans les enzymes. Un autre pan de la recherche de cette thèse était d’utiliser nos outils baséssur la structure et de mettre au point de nouvelles simulations numériques pour étudier lesdéterminants basiques structuraux et dynamiques de la communication intramoléculaire dansles protéines. Une première découverte fut de montrer comment l’analyse des modes normauxet la théorie des reseaux complexes conduisent à la prédiction des sites catalytiques dans lesenzymes. De plus, nous avons travaillé sur un groupe relativement peu connu de modes nor-maux qui ont la particularité d’être localisés à deux endroits très eloignés dans la structure desprotéines. Ces modes bilocalisés ont permis de réaliser des transferts d’énergie à des distancesconsidérables (plus de 70 Å). Finalement, des expériences de refroidissement effectuées sur unsystème protéine-eau décrit à l’échelle atomique ont dévoilé que le refroidissement induit unelocalisation spontanée d’énergie, indiquant certaines déformations des anneaux du benzenecomme possible centres de stockage de l’énergie dans les protéines. / In this thesis we have focused on the elusive relation that exists in proteins between theircomplex structures and the even more complex and sophisticated functions that they perform.Based on two different descriptions of proteins, at residue and atomistic scale, one of ouraims was to connect structural indicators computed from the topology of protein scaffoldsto hot spots in proteins such as catalytic sites in enzymes. Another goal of this thesis wasto employ our structure-based tools and set up original simulation scheme to investigate thebasic structural and dynamical determinants of intramolecular communication in proteins.As a first important finding, we have shown how normal mode analysis and specific graph-theoretical approaches lead to the prediction of catalytic sites in enzymes. Moreover, wehave concentrated our attention on an overlooked class of normal modes, that are stronglylocalized at two widely separated locations in protein scaffolds. These bilocalized modesturned out to efficiently mediate energy transfer even across considerable distances (morethan 70 Å). Finally, cooling experiments performed on a protein-water system described atatomic level have unveiled complex cooling-induced spontaneous energy localization patterns,pointing to specific deformation modes of benzene rings as potential energy-storage centers.

La colonisation bactérienne du gros intestin chez le poulain a été très peu étudiée. Pourtant, elle pourrait jouer un rôle capital dans la composition et l’activité de la communauté bactérienne chez l’animal devenu adulte. L’objectif de ce travail a été de mieux décrire la mise en place de la communauté bactérienne et de son activité de dégradation des glucides pariétaux dans les fèces du poulain de la naissance au post-sevrage. La supplémentation maternelle en produits fermentés FAP® (Original Process, France) a été testée comme facteur de variation. Nos travaux confirment que la colonisation bactérienne dans les fèces du poulain est un processus séquentiel qui débute très rapidement après la naissance et s’achève autour d’un mois d’âge. Les bactéries maternelles contenues dans le lait pourraient jouer un rôle majeur dans l’origine des bactéries qui s’implantent chez le poulain au cours des cinq premiers jours de vie. La fonction de dégradation des glucides pariétaux se met en place à partir de la deuxième semaine de vie et est établie à deux mois d’âge. Le sevrage pratiqué à six mois n’a pas d’impact majeur sur la communauté bactérienne et son activité dans les fèces du poulain. Enfin, la supplémentation maternelle a stimulé la mise en place précoce des bactéries anaérobies totales et utilisatrices de lactate et le démarrage des activités fermentaires dans les fèces du poulain. Cependant, aucun effet n’a été rapporté au-delà de cinq jours de vie. Comme la supplémentation en produits fermentés n’a pas modifié la composition et la structure des communautés bactériennes des fèces et du lait de jument, les effets observés chez le poulain pourraient, en partie, s’expliquer par une modification du lait sur le plan qualitatif et/ou quantitatif. Une meilleure connaissance des mécanismes impliqués dans le transfert de bactéries maternelles au poulain est un préalable afin d’envisager de nouvelles pistes de recherche pour optimiser la colonisation bactérienne chez le poulain par la modulation de la microflore maternelle. / In foals, few studies have been conducted on the hindgut bacterial establishment, despite this could play a major role in the composition and activity of the bacterial community in the adult animal. This work aimed at better describing the establishment of the bacterial community and its cell-walls degradation capacity in the foal feces from birth to post-weaning. Maternal supplementation with fermented products FAP® (Original Process, France) was tested as a variation factor. Our results confirm that bacterial establishment in the foal feces is a sequential process that starts very early after birth and ends at around one month of age. Bacteria in the mare milk could play a main role in the origin of the bacteria settling in the foal during the five first days of life. Cell-walls degradation activity starts from the second week of life and is established at two months of age. The weaning at six months had no major impact on the bacterial community and its activity in the foal feces. Finally, the maternal supplementation stimulated the early establishment of total anaerobes and lactate utilizers and the fermentative activity start in the foal feces. However no effect was reported after five days of life. As the maternal supplementation with fermented products did not change the bacterial community composition and structure in mare feces and milk, the change we observed in the foal could partly be explained by a change in the quality or quantity of milk. A better knowledge of the mecanisms implicated in the bacterial transfer from the mare to its foal is necessary before investigating new research area for optimising bacterial establishment in the foal by modulating the maternal microflora.

Les protéines sont des molécules flexibles, qui accomplissent une variété de tâches cellulaires à travers des mouvements mécaniques et des changements conformationnels encodés dans leur structure tridimensionnelle. Parmi les approches théoriques qui contribuent à une meilleure compréhension de la relation entre structure, mécanique, dynamique et fonction des protéines, les modèles gros-grains sont un outil très puissant. Ils permettent d’intégrer des informations structurales et dynamiques à un coût computationnel réduit, car le traitement explicite des degrés de liberté moins importants est supprimé. Dans le cadre de cette thèse, des études comparatives rapides de la flexibilité et de la mécanique des protéines ont été menées en se servant du simple modèle gros-grains de Réseau Élastique. La dépendance des résultats de la conformation de départ, ainsi que une liberté dynamique de la chaine principale plutôt limitée, imposée par l’approximation harmonique, nous ont motivé à développer une nouvelle approche, permettant une exploration plus extensive de l’espace conformationnel. Les efforts ont conduit à PaLaCe, modèle gros-grains qui permet des changements majeurs de la structure secondaire, tout en gardant la spécificité de la séquence des acides aminés grâce à une représentation à basse résolution. En utilisant PaLaCe nous avons simulé deux processus impliquant la plasticité protéique: le dépliement du domaine I27 de la protéine musculaire titine et la dynamique à l’équilibre autour de la structure native de deux enzymes homologues adaptées à des températures différentes. Les résultats obtenus concordent avec les données expérimentales et les résultats issus de modèles tout-atom déjà publiés. PaLaCe s’avère donc être un modèle fiable, avec des temps de calcul restreints par rapport aux modèles tout-atome, tout en conservant un bon niveau de détail. Il offre ainsi la possibilité d’effectuer une recherche systématique sur les liens entre mécanique, dynamique et fonction des protéines / Proteins are flexible molecules, which accomplish a variety of cellular tasks through mechanical motions and conformational fluctuations encoded in their three-dimensional structure. Amongst the theoretical approaches contributing to a better understanding of the relationship between protein structure, mechanics, dynamics and function, coarse-grain models are a powerful tool. They can be used to integrate structural and dynamic information over broad time and size scales at a low computational cost, achieved by averaging out the less important degrees of freedom. In this work, fast comparative studies of protein flexibility and mechanics have been performed with the simple coarse-grain Elastic Network Model. However, the dependency of the results on the starting conformation, and the rather constrained backbone dynamics imposed by the harmonic approximation, motivated the development of a new approach, for a more extensive exploration of conformational space. These efforts led to the PaLaCe model, designed to allow significant changes in secondary structure, while maintaining residue specificity despite a lower-level resolution. Using PaLaCe, we were able to reproduce two processes involving protein plasticity: the mechanical unfolding of the I27 domain of the giant muscle protein titin and the near-native dynamics of two homologous enzymes adapted to work at different temperatures. Agreement with experimental data and results from published atomistic models demonstrate that PaLaCe is a reliable, sufficiently accurate, but computationally inexpensive approach. It therefore opens the doors for a systematic investigation of the link between protein dynamics/mechanics and function

Selon la littérature, la consommation de viande de gibiers abattus avec des projectiles contenant du plomb pourrait augmenter l’exposition à ce métal. Cette étude visait à déterminer si la consommation de cervidés présente un risque pour la santé chez les chasseurs québécois. Nous avons analysé des échantillons de viande de chevreuil et d’orignal pour déterminer la teneur en plomb et évalué la consommation des chasseurs par questionnaire. Une analyse de risque par des simulations de Monte-Carlo avec 100 000 itérations a été réalisée. La prise hebdomadaire d’un repas de cervidé abattu avec des projectiles contenant du plomb pourrait exposer une faible proportion d’enfants (chevreuil : 2.9%; orignal : 0.9%) à une dose suffisante pour abaisser leur quotient intellectuel d’un point. Pour une faible proportion d’adultes (chevreuil : 1.6%; orignal : 0.5%), une telle consommation est susceptible d’induire une augmentation de la pression artérielle d’un millimètre de mercure. La sensibilisation des chasseurs et des bouchers et l’utilisation d’alternatives aux munitions en plomb pourraient contribuer à la réduction de cette exposition.

Les protéines amyloïdes sont retrouvées sous forme de fibres dans de nombreuses maladies neurodégénératives. En tentant d’élucider le mécanisme de fibrillation, les chercheurs ont découvert que cette réaction se fait par un phénomène de nucléation passant par des oligomères. Il semblerait que ces espèces soient la principale cause de la toxicité observée dans les cellules des patients atteints d’amyloïdose. C’est pourquoi un intérêt particulier est donc porté aux premières étapes d’oligomérisation. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à une séquence d’acide aminé fortement hydrophobe de l’α-synucléine appelée composante non β -amyloïde (Non-Amyloid β Component ou NAC). Cette dernière est retrouvée sous forme de fibres dans les corps et les neurites de Lewy des patients atteints de la maladie de Parkinson. De plus, elle constitue une composante minoritaire des fibres impliquées dans la maladie d’Alzheimer. Nous avons observé les changements structuraux qui ont lieu pour le monomère, le dimère et le trimère de la séquence NAC de l’α-synucléine. Nous nous sommes aussi intéressés aux conséquences structurelles observées dans des oligomères hétérogènes qui impliqueraient, Aβ1−40. Pour cela nous utilisons des dynamiques moléculaires, d’échange de répliques couplées au potentiel gros-grain, OPEP. Nous constatons une disparition des hélices α au profit des feuillets β , ainsi que le polymorphisme caractéristique des fibres amyloïdes. Certaines régions se sont démarquées par leurs capacités à former des feuillets β . La disparition de ces régions lorsque NAC est combinée à Aβ laisse entrevoir l’importance de l’emplacement des résidus hydrophobes dans des structures susceptibles de former des fibres amyloïdes. / Amyloid proteins are found in fiber form in many neurodegenerative diseases. In attempting to elucidate the mechanism of fibrillation, researchers have found that fibril formation occurs by a nucleation mechanisms involving oligomers. It seems, in particular, that the latter species are responsible for the toxicity observed in the cells of patients suffering from amyloidosis. That is why special interest is focused in the early stages of oligomerization. In this this work, we focus on a highly hydrophobic amino acid sequence of the α-synuclein called Non-Amyloid β Component (NAC). The NAC is recovered in the form of fibers in the body and Lewy neurites in patients with Parkin- son’s disease. Moreover, it is a minority component of the fibers involved in Alzheimer’s disease. In particular, we observe the structural changes taking place for the monomer, dimer and trimer of the NAC region of α-synuclein. We are also interested in the structural consequences observed in heterogeneous oligomers which involve Aβ1−40. We use Hamiltonian and temperature replica exchange molecular dynamics (HT-REMD) simulations combined with the coarse-grained OPEP potential. We observe a loss of α-helices in favor of β -strands and the characteristic polymorphism of amyloid fibers. We also find that some regions are distinguished by their ability to form β -strands. The disappearance of these regions when combined Aβ with NAC suggests the importance of the location of hydrophobic residues in amyloid fibers structures.

La compréhension de la relation structure-propriétés des parois des cellules végétales s'appuie de plus en plus sur l'utilisation d'approches de modélisation moléculaire en général et de dynamique moléculaire en particulier. A ce jour, le poids numérique que représente une telle démarche à l'échelle de l'atome est la plupart du temps incompatible avec les puissances de calcul disponibles. C'est pourquoi des méthodes d'approximation sont indispensables pour pouvoir mettre en œuvre des simulations numériques à l'échelle de systèmes supramoléculaires réalistes. Dans le cadre de cette thèse, un modèle de dynamique moléculaire, dit « gros grain » a été mis au point à l'échelle du monomère de macromolécules pariétales. Les paramètres de ce modèle ont été calibrés à l'aide de simulations de dynamique moléculaire à l'échelle de l'atome. Ce modèle a fait l'objet de quatre applications : adsorption d'une chaine de xylane sur une surface de cellulose cristalline, arrachement d'une chaine de xylane adsorbée sur une surface de cellulose cristalline par une pointe AFM, adsorption d'une phase amorphe de xylane sur une surface de cellulose cristalline et adsorption d'une phase amorphe de xylane sur un monocristal de cellulose exposant trois surfaces différentes. Des effets de structuration au voisinage de la cellulose sont observés. / Nowadays, the understanding of plant cell walls' structure-properties relationship leans more and more on the use of molecular modeling approaches and of molecular dynamics in particular. To date, numerical weight of such an approach is usually out of the reach of available computing power if the atomic scale is used. As a consequence, building approximate methods is of crucial importance to perform numerical simulation of realistic supramolecular systems. Within the framework of this PhD, a “coarse grain” molecular dynamics model was built at plant cell wall macromolecule monomer's scale, it's parameters being fixed with the help of atom-scale molecular dynamics simulations. Then, several numerical studies were carried out: a single xylan chain was adsorbed on a crystalline cellulose surface, a single xylan chain was pulled from a crystalline cellulose surface with the help of the tip of an AFM cantilever, an amorphous xylan phase was adsorbed on a cellulose surface and an amorphous xylan phase was adsorbed on a cellulose crystal, which three surfaces were exposed. Local structuring effects were observed.

Cette thèse s'intéresse à la construction du Concept de Soi (CDS) en situation d'enseignement d'Education Physique et Sportive (EPS). L'objectif de ce travail doctoral est de mettre en évidence différents antécédents du CDS mais également d'envisager le rôle que joue le CDS dans sa propre formation et évolution. La théorie de la vérification de soi (Swann, 1990) insiste en effet sur le rôle actif du CDS dans le maintien et la recherche de stabilité des visions de soi au cours du temps. Dans une série de 6 études, nous envisageons différents modèles de la formation du CDS développés en contexte scolaire (i.e., modèle d'ordre causal, modèle Interne/Externe, modèle « Gros poisson – Petit Bassin », travaux sur les choix de cibles de comparaison) dans une matière physique et « secondaire », l'EPS. Plusieurs modulateurs des différentes antécédents du CDS relatifs à ces modèles sont également envisagés (e.g., le sexe de l'élève, le niveau de pratique, le degré d'autodétermination de l'élève). Enfin, les postulats de la théorie de la vérification de soi sont interrogés au regard de l'influence du CDS de l'élève sur (1) les perceptions des autrui significatifs (i.e., l'enseignant), (2) le traitement et la perception des feedback reçus, et (3) l'utilisation des stratégies de présentation de soi, dès lors que la situation met en danger la stabilité de ce construit.

Les systèmes embarqués sont des dispositifs électroniques et informatiques autonomes, dédiés à une tâche bien précise. Leur utilisation s'est désormais démocratisée à de nombreux domaines d'applications et en particulier au multimédia. Ce type d'application est caractérisé par un besoin important en puissance de calcul et en échange de données. Les architectures matérielles au cœur de ces systèmes sont généralement dotées d'accélérateurs chargés de l'exécution des noyaux de calcul intensif. Les architectures reconfigurables à gros grain (CGRA) sont particulièrement adaptées à l'accélération d'applications multimédia car elles répondent au mieux aux contraintes de performance, d'efficacité énergétique, de flexibilité et de coût de conception. En effet, ce type d'architecture est un compromis entre les processeurs à usage général, les architectures dédiées et celles reconfigurables à grain fin. Cette thèse traite de certains aspects liés aux problématiques de conception et de compilation d'applications pour CGRA. Nos travaux s'inscrivent dans une démarche d'adéquation applications multimédia / CGRA / conception et compilation basées sur la programmation par contraintes (CP). Notre méthodologie nous a permis, grâce à la CP, de modéliser et de résoudre un ensemble de problèmes combinatoires complexes. Le premier modèle présenté a trait à la fusion d'unités fonctionnelles reconfigurables sous contraintes architecturales et technologiques. Les deux autres modèles abordent les problèmes de : placement, ordonnancement et routage des données pour le déploiement d'une application sur CGRA. Notre approche permet, dans la majorité des cas, de prouver l'optimalité de la solution obtenue.