Le but de ce travail de doctorat est de contribuer à l'optimisation de l'accumulation de lipides par les levures oléagineuses, et plus particulièrement par la levure Yarrowia lipolytica à partir du glucose, avec une stratégie d’optimisation dynamique à partir d’une commande basée sur un modèle. L’étude bibliographique permet de faire le bilan des connaissances antérieures pour identifier les différentes méthodologies existantes pour l’optimisation des procédés en structurant trois parties principales: la modélisation, la commande, et le suivi des procédés. Dans ce contexte, cinq modèles ont été proposés pour décrire l'accumulation de lipides. Le premier est un modèle non structuré basé sur des cinétiques de Monod et d’inhibition. Le deuxième s’appuie sur le modèle de Droop (quota) précédemment utilisé pour décrire l’accumulation de lipides dans les microalgues. Les trois derniers sont des modèles métaboliques dynamiques qui combinent les cinétiques avec un réseau métabolique réduit, obtenu à partir des modes élémentaires. Les cinq modèles ont été calibrés et validés en utilisant plusieurs jeux des données expérimentales. Néanmoins, un des avantages des modèles métaboliques dynamiques présentés est la possibilité de décrire les basculements métaboliques. Deux stratégies de commande multi-objective visant à maximiser la productivité des lipides et la fraction en teneur lipidique ont été proposées. Dans la première, les deux objectifs ont été pondérés par le calcul statique des fronts de Pareto, et intégrés à la stratégie de commande avec un modèle dynamique métabolique. La deuxième stratégie est basée sur des fonctions linéaires par morceaux en intégrant le modèle quota. Les simulations de la commande montrent la possibilité d’atteindre des teneurs en lipides entre 0,21 – 0,26 gLIP.gX-1 et productivités entre 0,78 – 1,02 g.(L-h)-1 en diminuant le temps de la culture à 20 h. Des capteurs logiciels ont été proposés afin de pallier le manque de capteurs en ligne en corrélant des mesures en ligne (i.e. pO2 et la base ajoutée pour le pH) par des algorithmes de types machines à vecteurs supports. La validation expérimentale des stratégies de commande est la principale perspective de ce travail. / This PhD thesis aims at optimizing lipid accumulation by oleaginous yeast, and most particularly by the yeast Yarrowia lipolytica from glucose. This optimization is addressed from a mathemantical point of view based on automatic control laws, where model-based control strategies are proposed. The bibliographic review compiles and evaluates previous works to identify the different existing methodologies to attain the optimization, which is divided in three main axes: modeling, control strategies, and monitoring. In this context, five different models are proposed to describe lipid accumulation. The first model is based on Monod and inhibition kinetics (unstructured), and the second on the Droop quota model (quota) previously used for microalgae. The last three are dynamic metabolic models that combine kinetics with metabolic models based on the stoichiometry of metabolism. These three models used a reduced metabolic network decomposed into elementary flux modes. The five models were successfully calibrated and validated with different experimental data. Nonetheless, the dynamic metabolic models presented highlighting features such as the description of metabolic shifts. Two approaches of multi-objective control strategies aiming at maximizing lipid productivity and lipid content fraction were proposed. In the first, the two objectives were weighted by static calculation of Pareto fronts, and integrated to the control strategy by dynamic optimization algorithms with a dynamic metabolic model. The second strategy used a constant weighed objective function solved by piecewise linear functions by integrating the quota model. The simulation results of the optimization attained lipid contents between 0.21 – 0.26 gLIP.gX-1 and productivities between 0.78 – 1.02 g.(L-h)-1 shortening the culture time to 20 h. Soft-sensors were developed by correlating on-line measurements (i.e. pO2 and the added base for pH) through support vector machines in order to overcome the lack of measurements. The perspective is to experimentally validate the control strategies.

L’endothélium est considéré comme le plus grand organe endocrine, et est impliqué dans plusieurs processus physiologiques tels que l’inflammation et l’angiogenèse. Toute altération fonctionnelle/structurale peut induire de nombreuses maladies (des maladies cardiovasculaires jusqu’aux maladies métaboliques). L’identification de nouveaux facteurs moléculaires permettant de faire un lien entre les maladies cardiaques et les désordres métaboliques est de grande importance. Les prokinéticines sont des hormones peptidiques largement distribuées dans les tissus des mammifères. Elles agissent comme des facteurs de survie/mitogéniques dans plusieurs types cellulaires, notamment les cellules endothéliales, et sont impliquées dans la régulation des activités biologiques tels que l’angiogenèse et la physiopathologie cardiaque et rénale. Les prokinéticines agissent via deux récepteurs couplés aux protéines G: PKR1 et PKR2. Récemment il a été montré que l’activation de PKR1 induit l’angiogenèse tandis que l’activation de PKR2 induit la fenestration des cellules endothéliales, et que l’inactivation de PKR1 entraîne des anomalies cardiaques et rénales.Le but de cette étude est de comprendre à quel point la signalisation endothéliale de PKR1 peut affecter la fonction des organes adultes in vivo. Pour cela, nous avons généré une lignée de souris dans laquelle le PKR1 est spécifiquement inactivé dans les cellules endothéliales. Les souris mutantes présentent des dysfonctionnements endothéliaux avec des anomalies cardiaques, rénales et métaboliques. Les résultats montrent que PKR1 pourrait être considéré comme une cible pour le traitement des maladies cardiaques, rénales et métaboliques. / Endothelium is the largest living organ which has important role in many biological functions such as maintaining vascular smooth muscle tone, angiogenesis, cell proliferation, tissue growth and regulating lipid oxidation. Abnormalities in endothelium cause a large wide range of diseases from cardiovascular diseases to metabolic disorders. This emphasizes the important need for in-depth study of molecular and cellular mechanisms involved in endothelial dysfunction. Prokineticins are peptidic hormones widely distributed in peripheral and various endocrine mammalian tissues. Prokineticins are involved in many biological functions including angiogenesis, gastro-intestinal motility and regulation of heart and kidney physiopathology. These regulatory peptides act via two G protein couple receptor, PKR1 and PKR1. Recent studies show that PKR1 is involved in angiogenesis however PKR2 induces fenestration in coronary endothelial cells. However the role of PKR1 regulation in endothelial cells in vivo has not been studied yet.The aim of this study is to understand to what extent endothelial-prokineticin signaling affect adult organ functions in vivo. We had generated mutant mice lacking PKR1 in endothelium, by Cre-loxP technology, and studied how inactivation of PKR1 in endothelial cells affects different peripheral organ functions. These mice exhibit endothelial dysfunction as observed by abnormal endothelial cell proliferation and endothelial dependent relaxations. Moreover these mice exhibit cardiac, renal and metabolic disorders. Results indicate that PKR1 can be target for treatment of cardiovascular and metabolic disorders.

Dans le contexte fromager, les champignons filamenteux du genre Mucor ont un rôle ambivalent. En fonction du fromage considéré, ils peuvent être assimilés à des microorganismes d’altération responsables de défauts de fabrication ou au contraire contribuer au développement des qualités organoleptiques des produits. Dans le cadre de ce travail, nous avons souhaité confirmer et objectiver la dichotomie classiquement faite en industrie fromagère entre espèces technologiques et espèces contaminantes, et investiguer les mécanismes d’adaptation potentiels mis en oeuvre chez les espèces technologiques. La morphologie et la croissance radiale de 7 souches représentatives d’espèces technologiques, contaminantes et non-fromagères (endophyte) de Mucor ont été étudiées sur différents milieux (synthétique, mimant le fromage et fromager) en fonction de facteurs clés du processus de production des fromages (température, aw, pH). Les valeurs cardinales de croissance ont été déterminées sur milieu synthétique, un modèle prédictif a été proposé et validé sur matrices fromagères pour le facteur température et la meilleure faculté de croissance des souches technologiques sur milieux fromagers par rapport au milieu synthétique a été démontrée. Une approche de protéomique comparée a permis de décrire les voies métaboliques mises en jeu par 4 de ces souches dans les deux types d’environnement, fromager et non-fromager, et 35 protéines spécifiquement surexprimées par la souche technologique M. lanceolatus UBOCC-A-109153 sur milieu mimant le fromage ont été identifiées. Les avantages compétitifs associés à ces potentiels marqueurs d’adaptation vont faire l’objet d’investigations complémentaires. / In the cheese industry context, Mucor species exhibit an ambivalent behavior, as some species are essential technological organisms contributing to the required organoleptic characteristics of some cheeses while some others can be spoiling agents. The present study aimed at better understanding this ambivalence and investigating the putative adaptation mechanisms to cheese existing in Mucor technological species. Morphology and radial growth of 7 representative Mucor species: technological, contaminant and non-cheese related (plant endophyte) species were monitored on different media (synthetic, cheese-mimicking media and cheese) in function of key parameters for cheese manufacture (temperature, aw, pH). Cardinal values were determined on synthetic medium and as a result a predictive model was proposed and validated on cheese matrices for the temperature parameter. Interestingly, cheese technological species exhibited higher optimal growth rates on cheese related matrices than on synthetic media, while the opposite was observed for non-technological species. A comparative proteomic approach allowed unraveling the main metabolic pathways playing a role in growth of 4 of the 7 studied strains on both synthetic medium and cheese-mimicking medium. This proteomic study also highlighted the occurrence of 35 proteins specifically expressed by the technological strains M. lanceolatus UBOCC-A-109153 on the cheese-mimicking medium. Putative competitive and adaptative advantages of these hypothetical adaptation markers will be tested through additional investigations.

La prévalence de l’obésité et du diabète de type 2 évolue de façon épidémique. Ces pathologies sont caractérisées par un état inflammatoire à bas bruit dont l’origine moléculaire est inconnue. L’une des pistes qui émerge concerne le microbiote intestinal et plus particulièrement des molécules pro-inflammatoires présentes à la surface des bactéries Gram(-) : les lipopolysaccharides (LPS). Nous avons récemment montré que ces LPS augmentent les taux circulants de glucagon-like peptide 1 (GLP-1), une hormone connue pour stimuler la sécrétion d'insuline. Par ailleurs, un lien existerait entre qualité nutritionnelle de l’alimentation et taux de LPS sanguins. Ainsi, alimentation, LPS et GLP-1 pourraient être liés. Ces travaux de thèse portent sur i) les mécanismes moléculaires reliant LPS et GLP-1 et ii) les conséquences physiopathologiques d’une endotoxémie expérimentale lors d’un régime obésogène. Nous montrons, in vitro, ex vivo et in vivo, que les LPS stimulent la sécrétion de GLP-1 par les cellules entéroendocrines via un mécanisme TLR4-dépendant. Les LPS présents dans l’intestin déclenchent cette sécrétion lors de situations pathologiques de dégradation de la muqueuse, faisant du GLP-1 un potentiel marqueur précoce d’altération de la barrière intestinale. Chez des souris sauvages, une endotoxémie expérimentale n’aggrave pas les conséquences métaboliques généralement observées lors d’un régime obésogène, certains paramètres sont même améliorés. Enfin, des souris présentant un défaut de détoxification des LPS nourries avec un régime obésogène prennent plus de masse corporelle que les souris contrôles. Les origines moléculaires de ces différences sont également recherchées. / Obesity and type 2 diabetes are metabolic diseases which have reached epidemic proportions worldwide. These metabolic disorders are related to a low grade inflammation whose molecular origin is still unknown. Previous studies have highlighted the involvement of the gut microbiota and especially components of the cell wall of Gram(-) bacteria: lipopolysaccharides (LPS). We have recently shown that LPS enhance glucagon-like peptide 1 (GLP-1) plasma levels, a hormone which is known to stimulate insulin secretion. Moreover there would be a link between the nutritional qualities of food and LPS plasma levels. Thus diet, LPS and GLP-1 may be closely related. The present work focuses on i) the molecular mechanisms linking LPS to GLP-1 and ii) the pathophysiological consequences of an experimental endotoxemia under obesogenic diet conditions. In vitro, ex vivo and in vivo experiments highlight LPS as potent secretagogues of GLP-1. They are able to induce GLP-1 secretion from enteroendocrine cells through a direct TLR4-dependent mechanism. Luminal LPS trigger GLP-1 secretion only under pathological conditions leading to intestinal mucosal damages. Therefore GLP-1 could be a promising early biomarker for diagnosing gut barrier injuries. Experimentally-induced endotoxemia in wild-type mice does not worsen the usually observed metabolic consequences of an obesogenic diet but rather seems to improve some of them. In addition, under high-fat diet, genetically-engineered mice with a defective LPS detoxification process gain more weight than control mice. The purpose of this thesis is also to disentangle the molecular explanation behind this difference.

Les récepteurs nucléaires des xénobiotiques et les enzymes métaboliques P450 (CYP) constituent les principaux éléments contrôlant la biotransformation des médicaments, ainsi que le maintien de des barrières physiologiques au niveau périphérique, plus particulièrement, dans le foie et dans l’intestin. Plusieurs études ont mis en évidence la présence des CYP ainsi que les récepteurs nucléaires contrôlant leur expression, tels que le Constitutive Androstane Receptor et le Pregnane Xenobiotic Receptor (CAR et PXR). Des résultats précédant indiquent la surexpression des CYP2E1 et CYP3A4 dans des tissus et des cellules isolées du cerveau de patients épileptiques pharmacorésistants. L’importance de ces résultats réside dans le rôle du CYP2E1 et CYP3A4 dans la biotransformation de plusieurs médicaments antiépileptiques (MAE) suggérant ainsi un mécanisme de pharmacorésistance aux médicaments. Contrairement aux autres récepteurs nucléaires, les fonctions physiologiques des récepteurs nucléaires des xénobiotiques au niveau vasculaire sont mal connues. Nos résultats montrent des changements spatio-temporaux de l’expression des CYP2E1 et CYP3A4 dans le cerveau après une crise aigüe et pendant le processus d’épileptogenèse chez la souris. Une exposition in vivo et in vitro au MAE Phénytoïne induit une augmentation du niveau du CYP2E1. Le Phénobarbital et la Carbamazépine n’ont pas eu d’effet. Les souris privées des récepteurs nucléaires des xénobiotiques (PXR KO et CAR KO) ne présentent pas de changement de niveau basal des CYP dans le cerveau. Cependant, les souris CAR KO présentent des dysfonctionnements neuronaux (altération de la mémoire, comportement anxieux et une diminution de l’intensité des rythmes EEG entre 3.5-7 Hz) et des modifications caractérisées par une augmentation de perméabilité vasculaire et une dispersion des neurones hippocampiques. L’ensemble des résultats indique une régulation dynamique des CYP dans le cerveau avec une extension de l’impact des récepteurs des xénobiotiques à des fonctions neurovasculaires. / Xenobiotic nuclear receptors and P450 metabolic enzymes (CYP) are pivotal controllers of drug biotransformation and barrier functions in peripheral organs, including the intestine and the liver. Accumulating evidence suggested that, in human, central nervous system cells express significant levels of P450 enzymes and their upstream regulators e.g. Constitutive Androstane and Pregnane Xenobiotic Receptors (CAR, PXR). We previously showed the increased and ectopic CYP2E1 and CYP3A4 expression in brain specimens or cells obtained from drug resistant epileptic patient. These results are significant as CYP2E1 and CYP3A4 are responsible for the metabolism of several antiepileptic drugs (AED), therefore, suggesting a possible new mechanism of drug resistance. However, the exact determinants of CYP expression in the epileptic brain remain unknown. In addition, the exact role of nuclear xenobiotic receptor in the brain is understudied. The latter represents a significant knowledge gap as nuclear receptors other than the xenobiotic ones were shown to contribute to physiological neurovascular functions. Our results show spatio-temporal changes of CYP2E1 and CYP3A4 brain expression occuring after status epilepticus and during epileptogenesis in mice. Exposure to the AED phenytoin, phenobarbital, but not carbamazepine, increased brain CYP2E1 expression in vivo and in vitro. Lack of the specific xenobiotic receptors CAR and PXR did not impact basal CYP brain levels. However, we found an unexpected contribution of CAR to neuronal dysfunctions (memory impairment, anxiety like-behavior and decrease 3.5-7 Hz EEG waves) and neurovascular development, as indicated by increase vascular permeability and hippocampal neuronal dispersion. These results depict a dynamic regulation of P450 enzymes in the brain also expanding the impact of xenobiotic receptors to previously unexplored neurovascular functions.

Les graines de lin sont composées de teneurs élevées en huile (45 g d’huile/100g MS) stockées sous forme de triglycérides dans l’embryon (Venglat et al., 2011). Ces huiles hautement insaturées sont utilisées depuis de nombreuses années pour des applications industrielles (vernis, linoleum…). Toutefois, ces huiles riches en oméga-3 présentent également une grande importance pour la santé humaine. Pour cette raison, l’industrie alimentaire est particulièrement intéressée pour développer des produits enrichis en huile de lin. Pour répondre à cette demande, il est nécessaire de sélectionner des cultivars accumulant plus d’huile. Afin de sélectionner efficacement de telles plantes, il est nécessaire d'acquérir des connaissances sur les mécanismes de synthèse, d’accumulation et de régulation des huiles dans les graines oléagineuses (Sharma et Chauhan 2012). Pour comprendre les accumulations des huiles dans les graines de lin et leurs régulations, deux lignées de lin ayant des teneurs en huile différent ont été sélectionnées (Astral : 44,6 ± 0,2 g d’huile/100g MS ; 238 : 37,0 ± 0,7 g d’huile/100g MS). Dans ce travail, nous avons déterminé les différences d’accumulation des composées de la graines entre les deux lignées dans les embryons, les téguments, la différence d’expression des gènes dans ces embryons et ces téguments, et analyser les flux métaboliques dans les embryons des deux lignées de lin durant la synthèse des acides gras. Ces études ont montré : (i) que les embryons de lin Astral qui accumule plus d’huile dans ses embryons accumule moins de protéines dans les embryons, (ii) que les téguments de lin Astral accumule moins de proanthocyanidines et de protéines que dans les téguments de la lignée 238, (iii) qu’aucun lien avec l’accumulation différente en huile dans les embryons et la différence d’accumulation dans les téguments n’a pu être mis en évidence, (iii) que le glucose est le précurseur carboné permettant la synthèse des acides gras, (iv) que le flux de carbone permettant la synthèse des acides gras passe majoritairement par la glycolyse cytosolique jusqu’au PEP cytosolique qui est transporté dans le plaste pour être convertie en pruvate puis acétylCoA, précurseur de la synthèse des acides gras, (v) que le flux permettant la synthèse de G3P est 29 fois plus élevée que dans les embryons de lin 238 que dans les embryons de lin Astral, (vi) : que la surexpression du gène codant pour la DHAP synthase (genolin_c54022 317) et la G3PDH (genolin_c10324 594) dans les embryons de la lignée Astral/238, pourraient induire une synthèse plus importante de G3P nécessaire à la formation des triglycérides. / Flax seeds are composed oh high levels of oil (45 g oil / 100 g DM) stored as triglycerides in their embryos (Venglat et al., 2011). These highly unsatured oils have been used for many years for industrial applications (varnish, linoleum,...). However, these oils rich in omega-3 are also a great importance to human health. for this reason, the food industry is particularly interesed to develop innovative products enriched in linseed oil. To meet these requirements, it is necessary to develop linseed cultivars that accumulate more oils. In order to select such plants, it is necessary to acquire knowledge on mechanisms, accumulation and regulation of oils synthesis in oilseeds (Sharma and Chauhan, 2012). To better understand oil accumulation in flaxseed, two linseed genotypes presenting different level in oil content were selected (Astral : 44,6 ± 0,2 g oil / 100 MS ; 238 : 37,0 ± 0,7 g oil / 100 g DM). In this work, we determined the differences in accumulation between the two lines in embryos, integumen, the difference in gene expression in the embryos and the integument, and we analysed the metabolic flux in the embryos of both flax lines during the synthesis of fatty acids. These studies have shown : (i) the flax embryos Astral accumulates more oil in its embryo accumulates less protein in embryos, (ii) that the Astal flax husks accumulates less proanthocyanidins and proteins in teguments of the line 238, (iii) no link with the different oil accumumation in embryos and the difference in accumulation the integument could be demonstrated, (iv) that the glucose is the carbon precursor for the synthesis of fatty acids, (v) thet the flow of carbon to the synthesis of fatty acids predominantly through cytosolic glycolysis to PEP cytosolic, that is transported into the plastic for conversion to pruvate then acetylCoA, precursor synthesis of fatty acids, (vi) the flow for the synthesis of G3P in Astral embryos is 29 times higher than in the 238 embryos, (vii) the overexpression of the gene encoding the DHAP synthase (genolin_c54022 317) and G3PDH (genolin-c10324 594) in embryos of the Astral / 238, could induce a higher synthesis G3P necessary for the triglycerides.

La pandémie de l'obésité entraine une augmentation de la prévalence des maladies chroniques du foie ou stéatopathies métaboliques (NAFLD). Le spectre des NAFLD va de la stéatose caractérisée par une accumulation de lipides dans le foie à la stéatohépatite (NASH) associant une inflammation, de la mort hépatocytaire et de la fibrose. Lors de l'obésité, l'élévation de signaux de dangers métaboliques perturbe les fonctions du réticulum endoplasmique (RE) essentielles pour l’homéostasie cellulaire. Les perturbations sont transmises par 3 senseurs : IRE1α, ATF6 et PERK pour activer une réponse adaptative. Si ce stress est sévère ou devient chronique, la cellule enclenchera une réponse terminale apoptotique. La protéine Bax Inhibitor-1 (BI-1) pourrait jouer un rôle hépatoprotecteur en inhibant l’hyperactivation de la voie de signalisation IRE1α.En combinant des études chez l’homme et dans des modèles animaux, l’objectif de cette étude était de mieux caractériser l'activation chronique du stress du RE dans les NAFLD. Ce travail a émis l’hypothèse qu’une déficience en BI-1 entrainerait l’activation soutenue de la voie IRE1α qui serait responsable de la transition de la stéatose à la NASH. Cette étude s'intéresse au dialogue potentiel entre le stress du RE et l’activation de l'inflammasome NLRP3, qui induit la sécrétion des cytokines pro-inflammatoires (IL-1β, IL-18) grâce aux caspases pro-inflammatoires (caspase-1, caspase-4/11). L’utilisation d’un inhibiteur global du stress du RE ou des inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à la voie IRE1α améliorerait les caractéristiques pathophysiologiques de la NASH et pourrait ouvrir de nouvelles perspectives thérapeutiques. / Due to the obesity pandemic, the last decades have been marked by a constantly increasing prevalence of Non-Alcoholic Fatty Liver Disease (NAFLD). NAFLD covers a spectrum of hepatic disorders ranging from steatosis, characterized by the ectopic accumulation of lipids in the liver, to steatohepatitis (NASH), featuring inflammation, hepatocellular death and fibrosis. During obesity, an increase in metabolic danger signals leads to disrupted endoplasmic reticulum (ER) function, essential for cellular homeostasis. The resulting ER stress activates a signaling network involving three sensors: IRE1α, ATF6 and PERK to enforce adaptive programs. If this stress is severe or becomes chronic, the cell will trigger a terminal apoptotic response. The protein Bax Inhibitor-1 (BI-1), as a negative endogenous regulator of the IRE1α signaling pathway in the liver, may play a hepatoprotective role.By combining data from obese patients with liver complications and experimental approaches in mice, this thesis aimed to better characterize the chronic activation of ER stress in NAFLD pathogenesis. This work also emitted the hypothesis that a deficiency in BI-1 leads to unrestrained IRE1α signaling that may be responsible for the steatosis to NASH transition. This study further investigated the potential dialogue between ER stress and the activation the NLRP3 inflammasome, which induces the secretion of pro-inflammatory cytokines (IL-1β, IL-18) by activating pro-inflammatory caspases (caspase-1, caspase-4/11). The administration of a broad spectrum ER stress inhibitor or specific inhibitors of IRE1α improved the pathophysiological features of NASH and may open novel therapeutic perspectives.

Les lipides des microalgues et les glucides de cyanobactéries peuvent être transformés en biodiesel et en bioéthanol, respectivement. L'amélioration de la production de ces molécules doit prendre en compte les entrées périodiques (principalement la lumière) forçant le réseau métabolique de ces organismes photosynthétiques. Il est donc nécessaire de tenir compte de la dynamique du réseau métabolique en réduisant sa dimension pour assurer la maniabilité mathématique. Le but de ce travail est de concevoir une approche originale pour réduire les réseaux métaboliques dynamiques tout en conservant la dynamique de base. Cette méthode est basée sur une séparation en échelles de temps. Pour une classe de modèles de réseaux métaboliques décrits par des ODE, la dynamique des systèmes réduits est calculée à l'aide du théorème de Tikhonov pour les systèmes singulièrement perturbés. Cette approximation quasi-stationnaire coïncide avec la dynamique du réseau d'origine, avec une erreur bornée. L'approche est d'abord développée pour les systèmes de réaction pouvant être linéarisés autour d'un point de travail et forcés par des entrées continues. Ensuite, une généralisation de cette méthode est donnée pour les réseaux à réactions rapides de cinétiques de Michaelis-Menten et tout type de cinétiques lentes, prenant également en compte un nombre fini d'entrées continues externes. La méthode de réduction met en évidence une relation entre la grandeur de la concentration des métabolites et la gamme des vitesses de réaction : les métabolites consommés par les réactions rapides ont une concentration inférieure d'un ordre de grandeur à celle des métabolites consommés à faible vitesse. Cette propriété est satisfaite pour les métabolites à dynamique rapide ne se trouvant pas dans un piège de flux, concept introduit dans ce travail. Le système réduit peut être calibré avec des données expérimentales à l'aide d'une procédure d'identification dédiée basée sur la minimisation. L'approche est illustrée par un réseau métabolique de microalgues autotrophes, comprenant le métabolisme central et représentant la dynamique des glucides et des lipides. Cette approche permet de bien ajuster les données expérimentales de Lacour et al. (2012) avec la microalgue Tisochrysis lutea. Enfin, un schéma visant à optimiser la production de molécules cibles est proposé en utilisant le système réduit. / Lipids from microalgae and carbohydrates from cyanobacteria can be transformed into biodiesel and bioethanol, respectively. Enhancing the production of these molecules must account for the periodic inputs (mainly light) forcing the metabolic network of these photosynthetic organisms. It is therefore necessary to account for the dynamics of the metabolic network, while reducing its dimension to ensure mathematical tractability. The aim of this work is to design an original approach to reduce dynamic metabolic networks while keeping the core dynamics. This method is based on time-scale separation. For a class of metabolic network models described by ODE, the dynamics of the reduced systems are computed using the theorem of Tikhonov for singularly perturbed systems. This Quasi Steady State Approximation accurately coincides with the original network dynamics, with a bounded error. The approach is first developed for reaction systems that can be linearized around a working point and that are forced by external continuous inputs. Then, a generalization of this method is given for networks with fast reactions of Michaelis-Menten kinetics and any type of slow kinetics, also considering a finite number of external continuous inputs. The reduction method highlights a relation between the concentration magnitude of the metabolites and the range of the reaction rates: the metabolites that are consumed by fast reactions have concentration one order of magnitude lower than metabolites consumed at slow rates. This property is satisfied for metabolites with fast dynamics that are not in a flux trap, a concept introduced in this work. The reduced system can be calibrated with experimental data using a dedicated identification procedure based on minimization. The approach is illustrated with an autotrophic microalgae metabolic network, including the core metabolism and representing the carbohydrates and lipids dynamics. The approach efficiently fits the experimental data from Lacour et al. (2012) with the microalgae Tisochrysis lutea. Finally, a scheme to optimize the production of target molecules is proposed using the reduced system.

La modélisation de maladies métaboliques hépatiques et les approches de thérapie cellulaire nécessitent de disposer d’une source fiable et illimitée d’hépatocytes. Grâce à leurs propriétés spécifiques, les cellules souches pluripotentes peuvent représenter une telle source. Nous avons tout d’abord mis au point une approche originale pour différencier une lignée de cellules souches embryonnaires humaines européenne, générée en conditions GMP-compatibles, en hépatocytes fonctionnels in vitro et in vivo après transplantation dans un modèle murin d'insuffisance hépatique aiguë. Nous avons ensuite utilisé les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) spécifiques d’un patient homozygote pour une mutation entrainant une absence de récepteur des lipoprotéines de basse densité (RLDL) afin de modéliser l'hypercholestérolémie familiale (HF) in vitro. Nous avons amélioré notre approche pour différencier ces iPSC en hépatocytes plus matures et polarisés car les hépatocytes sont les seules cellules capables de dégrader le cholestérol via la bile. Nous avons montré que ce modèle reproduit la physiopathologie de l'HF et établit la preuve de concept de la correction génétique ciblée par la technologie CRISPR/Cas au locus AAVS1 par la restauration de l’expression, inductible par les statines, et de la fonctionnalité du récepteur. Nous avons également mis en évidence que le RLDL ne semble pas impliqué dans l'entrée du virus de l'hépatite C (VHC) mais plutôt dans les étapes tardives de la morphogénèse virale. Ce modèle pourra désormais servir à l’étude physiopathologique de différents patients HF, au criblage de nouvelles drogues hypocholestérolémiantes et antivirales ainsi qu'à de nouvelles approches thérapeutiques. / Liver metabolic diseases modeling and cell therapy approaches require a a reliable and well-characterized cell source. Due to their specific properties, pluripotent stem cells represent a credible alternative to primary human hepatocytes. Thus, we have defined a new approach to differentiate a European human embryonic stem cell line, generated in GMP-compatible conditions, into hepatocytes that are functional in vitro and in vivo after transplantation into a murine model of acute liver failure. We have then used induced pluripotent stem cells from a homozygous patient with a mutation leading to an absence of the low-density lipoproteins receptor (LDLR) to model familial hypercholesterolemia type IIA (FH) in vitro. As hepatocytes are the only cells able to metabolize cholesterol into bile acids, we have improved our approach to differentiate these iPSC into hepatocytes displaying cell functional organization and polarization. We have shown that our model reproduced FH physiopathology and have also restored, by the genetic targeted correction at the AAVS1 locus using CRISPR/Cas technology and subsequent hepatocyte differentiation, the LDLR expression – inducible by statins - and functionality. Moreover, we have demonstrated that the LDLR does not seem to be involved in hepatitis C virus entry or replication but rather in viral morphogenesis steps. This model will be useful to develop new cholesterol-lowering and antiviral drugs as well as new cell therapy options. Furthermore, it can be applied to similar studies for other liver metabolic disorders.

La population générale est exposée à un grand nombre de pesticides, principalement via son alimentation. Alors que ces matières actives ont reçu une autorisation de mise sur le marché individuelle, l’effet sur l’organisme humain d’un mélange de tels composés est en revanche très peu connu. Afin de contribuer à mieux appréhender cet « effet mélange », notre étude s’est attachée à étudier le métabolisme hépatique humain in vitro de deux mélanges de pesticides communément retrouvés dans l’alimentation française / General population is exposed to several pesticides, mainly via the diet. Whereas these active ingredients obtained their marketing authorization individually, the available data regarding their impact as a mixture on the human body are scarce. In order to help better understanding this “mixture effect”, we aimed at studying the human hepatic in vitro metabolism of two pesticides mixtures commonly found in the diet