L’objectif de ce projet de thèse est d’étudier et caractériser les mécanismes impliqués dans la bascule respiro-fermentaire chez des cellules eucaryotes dotées d’un métabolisme mitochondrial. Les cellules eucaryotes ont des besoins différents en oxygène pour la production d’énergie et leur survie dans un environnement donnée. Elles sont qualifiées de type aérobie stricte lorsque la présence d’oxygène leur est nécessaire ou aéro-anaérobie facultatif dans le cas où l’oxygène n’est pas indispensable à la production d’énergie. La levure Yarrowia lipolytica a été choisie comme modèle d’étude de par sa particularité à être un micro-organisme aérobie strict avec une grande capacité d’accumuler de lipides et de production d’acides organiques. Les études expérimentales et analytiques, par l’emploi de méthodes mathématiques de modélisation du métabolisme, ont permis d’identifier des contraintes métaboliques impliquées dans la transition respiro-fermentaire chez cette levure au métabolisme énergétique oxydatif. La production de l’acide citrique par Y. lipolytica, déjà rapportée dans la littérature, a été choisi comme un marqueur de cette transition respiro-fermentaire. Nous avons découvert que l’inhibition de la protéine oxydase alternative (AOX), impliquée dans la respiration mitochondriale, par la molécule n-propyl gallate (nPG) permet d’améliorer le rendement de production d’acide citrique par fermentation du glucose dans une culture de Y. lipolytica. Ces résultats montrent que la nPG, déjà utilisée dans l’industrie agro-alimentaire et pharmaceutique en tant que conservateur joue sur la bascule respiro-fermentaire par inhibition de la consommation d’oxygène et stimule ainsi la production d’acide citrique. La modélisation du réseau métabolique de Y. lipolytica, décrit à l’échelle du genome, par dynamic Flux Balance Analysis (dFBA) a permis d’identifier l’accumulation des espèces oxydantes dites ROS (Reactive Oxygen Species) comme un levier majeur de la bascule respiro-fermentaire et donc de la production d’acide citrique chez la levure Y. lipolytica. De plus, nos résultats préliminaires montrent que l’oxydation des lipides accumulés par Y. lipolytica pourrait être à l’origine de la génération des ROS. Cette étude doit être approfondie expérimentalement et constitue un apport important pour l’industrie agro-alimentaire et pharmaceutique.Mots clés : Bascule respiro-fermentaire, Acide citrique, lipides, Yarrowia lipolytica, n-propyl gallate, Reactive Oxygen Species, modélisation, dynamic Flux Balance Analysis / The main goal of this thesis project is to study and characterize mechanisms involved in respiratory to fermentative shift in eukaryotic cells endowed with mitochondrial metabolism. Eukaryotic cells have different oxygen requirements for energy production and survival in a given environment. They are described as strict aerobic when the presence of oxygen is necessary or optional aero-anaerobic in when oxygen is not essential for energy production. The yeast Yarrowia lipolytica was chosen as our study model thanks to its particularity since it is a strict aerobic microorganism with a high capacity to accumulate lipids and to produce organic acids. Experimental and analytical studies, using mathematical methods for modeling cell metabolism, allowed us to identify metabolic constraints involved in respiratory to fermentative transition in this yeast showing oxidative energy metabolism. Production of citric acid by Y. lipolytica, already reported in the literature, has been chosen as a marker for this in respiratory to fermentative shift. We found that the inhibition of the alternative oxidase protein (AOX) involved in mitochondrial respiration, by adding n-Propyl gallate (nPG) molecule improves the yield of citric acid production by fermentation of glucose in a Y. lipolytica culture. These results show that nPG, already used in food and pharmaceutical industry as a preservative, plays on respiratory to fermentative balance by inhibition of oxygen consumption and thus stimulates the production of citric acid. Modeling of the metabolic network of Y. lipolytica, described at genome-scale, by dynamic Flux Balance Analysis (FBA) has identified the accumulation of intracellular ROS (Reactive Oxygen Species) species as major levers for respiratory to fermentative shift and therefore the production of citric acid by Y. lipolytica. Therefore, our preliminary results show that oxidation of lipids accumulated by Y. lipolytica could be involved in generation of ROS species. This study must be experimentally deepened and constitutes an important contribution for the agri-food and pharmaceutical industry.Key words: Respiratory to fermentative shift, Citric acid, lipids, Yarrowia lipolytica, n-Propyl gallate, Reactive Oxygen Species, modeling, dynamic Flux Balance Analysis

Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός τετραδιάστατου προσομοιωτικού μοντέλου της ελεύθερης ανάπτυξης και απόκρισης όγκων νεφροβλαστώματος σε σχήματα χημειοθεραπείας. Το μοντέλο αναπτύχθηκε στα πλαίσια των εξής ευρωπαϊκών προγραμμάτων: ACGT (Advancing Clinicogenomic Trials on Cancer, FP6-2005-IST-026996), p-Medicine (From data sharing and integration via VPH models to Personalized medicine, FP7-ICT-2009-6-270089) και TUMOR (Transatlantic Tumour Model Repositories, FP7-ICT-2009.5.4). Το μοντέλο είναι κατά βάση διακριτό και κλινικά προσανατολισμένο . Κάνει σε μεγάλη έκταση, χρήση διακριτών οντοτήτων και διακριτών γεγονότων ενώ αναφέρεται σε πολλές χωροχρονικές κλίμακες της βιολογίας του καρκίνου. . Αποτελεί μια «από επάνω προς τα κάτω» (top-down) προσομοιωτική προσέγγιση. Ξεκινώντας από τα μακροσκοπικά απεικονιστικά δεδομένα ασθενών (υψηλό επίπεδο βιοπλοκότητας) και συνεχίζοντας προς τα επίπεδα χαμηλότερης πολυπλοκότητας. Ο κλινικός προσανατολισμός του μοντέλου αποτέλεσε τη βασική αρχή κατά την ανάπτυξή του. Τα διαθέσιμα ιατρικά δεδομένα αποσκοπούν στην εξατομίκευση της προσομοίωσης της συμπεριφοράς του όγκου για κάθε ασθενή. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε στα πλαίσια του διδακτορικού, αποτελεί μέρος μιας σύνθετης αλγοριθμικής κατασκευής και ενός συστήματος βιοϊατρικής τεχνολογίας, του “Ογκοπροσομοιωτή”. Έχουν πραγματοποιηθεί εκτεταμένοι έλεγχοι αξιοπιστίας του μοντέλου και παραμετρικές μελέτες. Η ανάλυση ευαισθησίας του μοντέλου αποκάλυψε ποιοί βιολογικοί μηχανισμοί παίζουν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη του όγκου. Αυτά τα συμπεράσματα μπορούν να παρέχουν περαιτέρω κατανόηση στη δυναμική της βιολογίας του καρκίνου. Τα αρχικά αποτελέσματα των προσομοιώσεων της ελεύθερης ανάπτυξης και απόκρισης σε χημειοθεραπεία τυχαίου όγκου (ελλειψοειδούς) ενισχύουν σημαντικά την αξιοπιστία του μοντέλου. H ήδη δημοσιευμένη προσαρμογή του μοντέλου σε πραγματικά περιστατικά κλινικών δοκιμών (SIOP 2001/GPOH) αποτελεί μια βάση δημιουργίας εμπιστοσύνης της επιστημονικής κοινότητας στο προσομοιωτικό δυναμικό της προσέγγισης. Για την κλινική προσαρμογή του συγκεκριμένου Ογκοπροσομοιωτή χρησιμοποιούνται τα διαθέσιμα κλινικά δεδομένα (απεικονιστικά, ιστοπαθολογικά), προ- και μετα-εγχειρητικά, σε συνδυασμό με τη διαθέσιμη πληροφορία από τη βιβλιογραφία. Η δυνατότητα να αξιοποιούνται άμεσα πρόσθετα δεδομένα στα πλαίσια κλινικών δοκιμών, περιορίζοντας έτσι το “παράθυρο” των πιθανών λύσεων αποτελεί ένα ιδιαίτερα ξεχωριστό χαρακτηριστικό του παρουσιαζόμενου μοντέλου. Σημειώνεται ότι το μοντέλο βρίσκεται κάτω υπό συνεχή βελτιστοποίηση και επέκταση στα πλαίσια ευρωπαϊκών προγραμμάτων υπό υλοποίηση και κλινικών δοκιμών. / The aim of this thesis is to develop a 4D spatiotemporal simulation model of the free growth of Wilms’ tumours and its response to chemotherapeutic regimens. The model has been developed within the framework of three EC-funded projects: ACGT (Advancing Clinicogenomic Trials on Cancer, FP6-2005-IST-026996), p-Medicine (From data sharing and integration via VPH models to Personalized medicine, FP7-ICT-2009-6-270089) and TUMOR (Transatlantic Tumour Model Repositories, FP7-ICT-2009.5.4). It is is a predominantly discrete entity -discrete event, clinically-oriented multiscale cancer model. A ‘‘top-down’’ simulation approach has been formulated. The approach method starts from the macroscopic imaging data representing a high scale/level of tumour biology and proceeds towards lower scales/levels. The clinical orientation of the model has been a fundamental guiding principle throughout its development. Available medical data is exploited, in order to support patient-individualized modelling. The model developed has been embedded in a complex algorithmic system and a bioengineering tool denoted by the term “Oncosimulator”. A thorough cross-method sensitivity analysis of the model has been performed, revealing the most determinant biological mechanisms in terms of tumour aggressiveness and therapy outcome. The outcome of this work has provided important insight into the biology of cancer dynamics. Initial results of free growth and response to chemotherapy have been produced and judged as reasonable, thus supporting the validity of the model Successful model adaptation to real clinical cases in the context of the SIOP/GPOH clinical trial guided by a sensitivity analysis has been achieved and published. In order to validate the model, the available pre- and post-surgery clinical data (imaging and histopathological) are used in combination with available literature data. The potential to readily exploit additional data available in the context of clinical trials, thereby narrowing the window of possible solutions, is a particularly distinctive feature of the model. The model is under continuous refinement, optimization and extension in the framework of pertinent clinical trials.

Foot-and-mouth disease virus (FMDV) is an economically devastating and highly contagious livestock pathogen. It exists as seven serotypes, comprising numerous antigenically distinct subtypes. The large amount of antigenic heterogeneity has confounded attempts at developing broadly reactive vaccines. In order to overcome this issue the fundamentals of the interactions between the virus and the host humoral immune response must first be understood. Previous work in this area using monoclonal antibody (mAb) escape mutants has identified five antigenic sites for the O serotype and efforts have been made to quantify their relative importance. However, this does not represent a complete picture of serotype O antigenicity. The work conducted in this thesis demonstrates the role of a limited number of dominant substitutions in mediating the antigenic diversity of serotype O Foot-and-Mouth disease virus. Two alternative but complementary methods for identifying epitopes were developed. The first used a mathematical model to analyse newly generated serological and sequence data from 105 viruses, cultured for this purpose (and cross-reacted to 5 reference antisera), in the context of an existing crystallographic structure to identify and quantify the antigenic importance of sites on the surface of the virus. The second approach was purely structural, using existing B cell epitope prediction tools to develop a method for predicting FMDV epitopes using existing crystallographic structures of FMDV. These techniques were validated by the use of reverse genetics, which confirmed the impact on cross reactivity of two predicted novel serotype O antigenic residues, with a further four novel residues identified by looking in depth at the interactions between two genetically close, but antigenically distant viruses. This increased knowledge of the antigenic composition of serotype O FMDV contributes to our understanding of the nature of vaccine efficacy and the breadth of protection, which, in the longer term, will aid in the goal of developing vaccines to better protect livestock from such a highly antigenically variable disease.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'hyperglycémie est très souvent présente chez le patient de réanimation, liée à une insulinorésistance et une production accrue de glucose par le foie. La relation entre hyperglycémie en réanimation et pronostic défavorable était déjà établie lorsque Van den Berghe et al montra une réduction de mortalité associée à une insulinothérapie intensive visant à normaliser la glycémie. Du fait de l'impossibilité à reproduire cet effet bénéfique et de la mise en évidence d'une surmortalité associée à un contrôle glycémique strict par rapport à un contrôle visant une glycémie < 10mmol/L (étude NICE-SUGAR), le premier objectif de cette thèse fut de rechercher à l'aide d'une étude multicentrique (étude CGAO-REA) une association entre utilisation d'un logiciel facilitant le contrôle glycémique strict et réduction de mortalité. Malgré le résultat négatif de l'étude CGAO-REA, l'intérêt d'un système informatisé demeure en raison de la complexité du contrôle glycémique. Sont ainsi discutés les sujets suivants appliqués à la réanimation : aléas du contrôle glycémique, méthodes de mesure de la glycémie, contrôleurs glycémiques, insulinorésistance, variabilité glycémique, impact du statut diabétique et systèmes informatisés. Le deuxième objectif de cette thèse est de détailler les nouveaux objectifs du contrôle glycémique en réanimation et d'en présenter l'évolution et les perspectives. En s'inspirant des diabétologues engagés dans le développement d'un pancréas artificiel et en généralisant les évaluations in silico, des équipes pluridisciplinaires pourraient construire une station de contrôle informatisée afin d'obtenir un contrôle glycémique optimisé et individualisé en réanimation. / Stress-induced hyperglycemia is common in critically ill patients due to insulin resistance and increased hepatic output of glucose. The relationship between stress hyperglycemia and poor outcome for patients hospitalized in the intensive care unit (ICU) was already established when Van den Berghe et al demonstrated that tight glucose control (TGC) by intensive insulin therapy was associated with decreased mortality and rate of complications in surgical ICU patients. Because further randomized controlled studies have failed to replicate any mortality benefit and have even shown an increased mortality (the NICE -SUGAR study), the primary objective of this thesis was to test the hypothesis that TGC with a computerized decision-support system (CDSS) reduces the mortality in adult critically ill patients as compared to conventional glucose control targeting BG levels to <10 mmol/L (the CGAO-REA study). We discussed several aspects of glucose control in the ICU (integration in the clinical workflow, confounding issues in BG measurements, insulin resistance, glucose variability, impact of diabetic status) and reviewed existing computerized tools. Despite the negative result of the CGAO-REA study, the interest for CDSSs remains because meanwhile new therapeutic goals for glucose control in the ICU have emerged. The second objective of this thesis is to present ongoing developments. Based on research programs targeting an artificial pancreas for diabetic patients, in silico trials, multidisciplinary approaches integrating human factors, a computerized glucose control station could be developed to allow clinicians to achieve an optimized, individualized glucose control in the ICU.

>Magister Scientiae - MSc / Tuberculosis (TB) is a global health problem and rated as the second leading cause of death after HIV/AIDS. Transmission of TB from one person to the next is very rapid in crowded communities. Therefore, it is crucial to identify people who are infected as quickly as possible not only to provide treatment but also to prevent the spread of the disease. Current TB diagnostic tests such as the culture and sputum smear tests are time-consuming, while rapid tests make use of antibodies that are costly and have low sensitivity and stability. Great improvement has been observed when aptamers are used in place of antibodies in rapid diagnostic tests such as lateral flow devices (LFDs). Therefore, the current study aims to synthesize and identify aptamers against serum biomarkers for development of rapid TB diagnostic tests such as a lateral flow assay. Several TB serum biomarkers have been identified and can be used for the diagnosis of TB. TB biomarkers expressed in serum samples were identified through in silico approach. The biomarkers were expressed in bacterial systems using recombinant DNA technology. The recombinant proteins were purified by affinity chromatography and further used as targets for the selection of aptamers using Systemic Evolution of Ligands by EXponential enrichment (SELEX). Aptamers for the selected biomarkers were synthesized based on magnetic-bead based SELEX and characterized by electrophoretic mobility shift assay (EMSA), Surface Plasmon resonance (SPR) and MicroScale Thermophoresis (MST). Six putative TB serum biomarker proteins were selected from literature, namely, Insulin-like Growth Factor Binding Protein 6 (IGFBP6), Interferon-stimulated Gene 15 (ISG15), Calcium Binding Protein (S100A9), Retinol Binding Protein 4 (RBP4), Granzyme A (GrA), and Transgelin-2 (TAGLN2). The biomarkers were recombinantly expressed and purified after which they were used as targets in SELEX for aptamers synthesis. Aptamers were analysed by in silico method and the ones with highly conserved motifs were selected. The selected aptamers were synthesized and later characterized. The aptamers that show high affinity and specificity for the biomarkers will be used for the fabrication of a rapid lateral flow device for TB screening. Such a test would allow for a short diagnostic turnaround time, and hence expedite treatment.

O objetivo deste trabalho foi estudo da influencia de misturas de oxido de neodimio e de oxido de niobio e de praseodimio como sinterizacao para o nitreto de silicio. Amostras foram sinterizadas em temperaturas entre ';1600GRAUS';C a ';1750 GRAUS';C, de ';50 GRAUS'; em ';50 GRAUS';, em tempos de 5 min. Foram tambem feitas sinterizacoes nas temperaturas de ';1700 GRAUS';C e ';1750 GRAUS';C durante 30 min. Foram avaliados o grau de densificacao, a microestrutura, a microdureza e as fases intergranulares. Investigaram-se tambem, os efeitos dos aditivos na transformacao ';alfa'; ';SETA'; ';beta'; - ';Si IND.3'; ';N IND.4';.

Human cytomegalovirus (CMV) is a significant infectious agent causing disease in immunocompromised HIV-infected patients, transplant recipients, and neonates. The current antiviral therapeutic strategy against CMV is limited in its utility due to the inherent toxicity and lack of bioavailability of currently available anti-CMV agents, ganciclovir (GCV), cidofovir (CDV), and foscarnet (FOS). The development of the prodrug of GCV, valganciclovir (val-GCV), has vastly improved the bioavailability profile of GCV. However, val-GCV demonstrates limited effectiveness against tissue-invasive CMV diseases as side effects involved with traditional intravenously administered GCV such as haematologic and reproductive toxicities remain. In addition, the emergence of antiviral resistant CMV mutant strains due to prolonged treatment with currently available antivirals necessitates the development of novel anti-CMV agents with reduced toxicity and improved bioavailability. In this study, select groups of novel compounds were analysed for their potential for further development as anti-CMV agents. Three groups of compounds were identified based on two screening methods which included the computer simulated screening process of compounds known as in silico screening and the traditional method of random screening. The first group of compounds (CATi) were identified by in silico screening against the CMV DNA polymerase catalytic aspartate triad, resulting in the identification of 31 compounds with the potential for inhibitory activity against CMV. The second group of compounds (PRO-i) were identified through in silico screening against the CMV protease, identifying a total of 18 lead compounds exhibiting structural complementarity with CMV protease. The third and final group of compounds (TPEX) were identified through random screening and consisted of plant extracts purified from tropical plants. All three compounds were initially screened for cytotoxicity against human fibroblasts. Plaque reduction assays were performed using compounds with acceptable levels of cytotoxicity to determine the ability of the compounds to inhibit the replication of the laboratory antiviral sensitive CMV strain, Towne. Two of the PRO-i compounds demonstrated good antiviral activity against CMV. Eleven percent (2/18) of the PRO-i compounds inhibited CMV replication, with PRO-i-43 and PRO-i??-44 displaying mean 50% inhibitory concentrations (IC50) of 4.8 ?? 1.2 ??M and 8.04 ??M, respectively. PRO-i-43 and PRO-i-44 are thus good candidates for further development as novel antiviral agents against CMV. The majority of CATi and TPEX compounds displayed significant cytotoxicity against human fibroblasts and compounds with acceptable levels of cytotoxicities did not significantly inhibit CMV replication. However, the identification of compounds with low cytotoxicities provides a good foundation for further development of novel anti-CMV agents with superior antiviral activity. In silico screening against three-dimensional viral protein models is a useful strategy for the identification of novel antiviral agents with the potential for inhibitory activity against CMV. Structural modification to produce potent derivatives of the identified anti-CMV compounds (PRO-i-43 and PRO-i-44) is a good option for the further development of novel antiviral agents against CMV. Such further examination of the identified compounds with anti-CMV activity is required to investigate their activity against not only antiviral sensitive CMV strains but also resistant CMV strains. Further investigations will yield new insights into their target, allowing further identification of compounds with potential anti-CMV activity with pharmaceutical application.

Cette thèse regroupe une série de travaux concernant la structure et la dynamique des réseaux génétiques. Nous proposons tout d'abord une méthode de conception de réseaux génétiques par évolution in silico. Cette procédure vise à concevoir des motifs réalisant une fonction donnée sans aucune contrainte sur leurs structures a priori. L'algorithme a permis de trouver de nombreux motifs originaux et connus. Une comparaison avec les réseaux existants ainsi que diverses extensions possibles du champ d'application de l'algorithme sont proposées. Nous étudions dans une seconde partie les propriétés d'un motif fréquemment trouvé par cet algorithme et sur représenté dans les réseaux naturels. Ce module de rétroaction mixte (``Mixed Feedback Loop'' ou MFL) est constitué de deux protéines A et B, la protéine A régulant la transcription du gène b, les deux protéines formant un dimère inactif. Une analyse mathématique détaillée de ce module est proposée. En particulier, nous montrons que ce module peut se comporter soit comme un commutateur génétique bistable, soit comme un oscillateur. Un diagramme de phase ainsi qu'une description mathématique précise du cycle de l'oscillateur sont dérivés analytiquement. Enfin, dans une troisième partie, nous nous intéressons plus particulièrement à des exemples biologiques d'oscillateurs génétiques : les horloges circadiennes. Les propriétés générales de ces oscillateurs sont rappelées et un modèle pour l'horloge circadienne de Neurospora crassa, basé sur le réseau MFL, est proposé. En particulier, nous montrons l'importance d'une seconde boucle de rétroaction pour la robustesse des oscillations face à la variation des paramètres.

La caractérisation à haut débit des interactions protéines-protéines a permis d'établir les premières cartes d'interactions de différents organismes modèles, y compris l'homme. Cependant, la caractérisation structurale des assemblages protéiques reste limitée à un nombre très faible de ces interactions. En mettant en évidence une pression de sélection évolutive spécifique aux interfaces de complexes protéiques, ce travail a permis d'élucider certains mécanismes évolutifs essentiels à l'association entre protéines qui n'avaient pas été décrits jusqu'à présent. Sur cette base, une nouvelle approche bioinformatique, nommée SCOTCH (Surface COmplementarity Trace in Complex History), a été développée pour prédire la structure des assemblages macromoléculaires. Couplée à un programme d'amarrage moléculaire, tel que SCOTCHer, également développé au cours de cette thèse, cette approche a permis de prédire efficacement la structure d'un grand nombre de complexes. Ce travail de thèse s'est également concentré sur l'inhibition des interactions protéiques par des mini-protéines, conçues de façon rationnelle sur la base des structures de complexes. Les résultats obtenus pour deux exemples, celui du complexe Asf1 – Histone H3/H4 et du complexe gp120 – CD4 témoignent du fort potentiel du design rationnel d'interfaces de complexes pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques.