Ce travail de thèse vise à décrire l'écodynamique d'herbicides -tricétones synthétiques (sulcotrione et mésotrione) et naturel (leptospermone) et à estimer leur impact écotoxicologique sur la communauté bactérienne de sols agricoles. Les processus impliqués dans la dissipation de ces herbicides (adsorption et biodégradation) ont été étudiés dans des microcosmes de sol. Deux souches bactériennes, Bradyrhizobium sp. SRl dégradant la sulcotrione et la mésotrione, et Methylophilus sp. LS1 dégradant la leptospermone ont été isolées. Une banque de 12000 mutants de Bradyrhizobium sp. SRl a été construite et deux mutants Sul• ont été sélectionnés, mais les gènes interrompus ne codent pas pour les enzymes de dégradation de la sulcotrione. L'impact écotoxicologique des tricétones synthétique (sulcotrione) et naturelle (leptospermone) sur la communauté bactérienne du sol a été estimé à l'aide d'outils de métagénomique et de métabolomique. La leptospermone modifie de manière transitoire la diversité et la composition de la communauté bactérienne, en accord avec sa rémanence dans les sols. La sulcotrione ne modifie ni la diversité ni la composition de la communauté bactérienne. La combinaison des approches de métagénomique et de métabolomique est prometteuse pour évaluer l'impact écotoxicologique des herbicides sur les microorganismes du sol. / This work aims to describe the ecodynamics of synthetic (sulcotrione and mesotrione) and natural (leptospermone) -triketone herbicides and to estimate their ecotoxicological impact on the bacterial community in arable soils. The processes involved in the dissipation of these herbicides (adsorption and biodegradation) have been studied in soil microcosms. Two bacterial strains, Bradyrhizobium sp. SRl able to degrade sulcotrione and mesotrione, and Methylophilus sp. LS1 degrading leptospermone, have been isolated. A bank of 12 ooo mutants of Bradyrhizobium sp. SR1 was established allowing the selection of two Sul•mutants but interrupted genes didn't code for enzymes degrading sulcotrione. The ecotoxicological impact of synthetic (sulcotrione) and natural (leptospermone) triketones on soil bacterial community was estimated using metagenomics and metabolomic tools. Leptospermone transitory modified the diversity and composition of the bacterial community, in accordance with its persistence in soil. Sulcotrione did not modified neither the diversity nor the composition of the bacterial community. The combination of metagenomics and metabolomics is promising for the assessment of ecotoxicological impact of herbicides on soil microorganisms.

Le but de cette étude est de mettre en oeuvre une nouvelle méthode de prétraitement de la biomasse afin d’isoler les métabolites secondaires qui peuvent inhiber la fermentation des glucides pour la production d’éthanol cellulosique. Avec la tendance grandissante vers la production de cultures énergétiques, potentiels intrants pour d’éventuelles bioraffineries, il importe de vérifier la composition et le potentiel des extractibles provenant de ces plantes. Les processus d’extraction actuels s’opèrent en discontinu, par alternance de grandes quantités de solvants organiques puis aqueux, et nécessitent des temps d’opération longs et beaucoup d’énergie. À cet effet, une nouvelle procédure d’extraction utilisant comme matières premières une culture végétale à croissance rapide appartenant à l’espèce Salix, a été mise en oeuvre. La technique choisie emploie un solvant sous forme d’émulsion composé d’eau et de carbonate de diméthyle avec des proportions volumiques (82,5 – 17,5%), diminuant ainsi la consommation de solvant et permettant de produire un procédé d’extraction en continu. Le mélange hétérogène, biomasse et émulsion, exposé aux ultrasons a permis la réduction du temps d’extraction mais aussi l’énergie consommée de 6 fois, tout en augmentant le rendement d’extraction de 25 % et en préservant les composés thermolabiles

Les bactéries doivent s'adapter rapidement aux modifications de leur environnement en ajustant leur modèle d'expression génétique et leurs activités enzymatiques. Dans la plupart des cas, les variations de leur habitat impliquent de petites molécules que les bactéries peuvent détecter et auxquelles elles peuvent réagir. Le ribosome, la machinerie de la cellule qui catalyse la formation de la liaison peptidique, est capable de détecter les métabolites ou les antibiotiques afin de réguler l'expression des gènes, où le peptide naissant au sein du ribosome est capable d’induire l’arrêt de la traduction. Dans ce mécanisme, le peptide en cours de traduction (peptide d'arrêt) bloque le ribosome en interagissant avec les parois du tunnel ribosomal correspondant à la cavité par laquelle le peptide atteint le cytoplasme. L'arrêt peut dépendre uniquement de la séquence du peptide ou bien nécessiter la liaison d’une petite molécule. L’arrêt du ribosome en cours de traduction contrôle à son tour l'expression sur le même ARNm d'un gène situé en aval. Malgré plusieurs études biochimiques et structurales antérieures, le mécanisme exact de détection de ces petits métabolites par le peptide d’arrêt est encore inconnu. Mon travail de doctorat a porté sur : (1) comprendre comment de petites molécules sont détectées par les peptides d'arrêt ribosomaux, et (2) un cas particulier d'arrêt de la traduction dépendant du ligand : la détection des antibiotiques par des peptides d'arrêt courts.Pour répondre au premier problème, j'ai étudié biochimiquement et structurellement un nouveau peptide d'arrêt (appelé SpeFL) qui détecte l’ornithine (un petit métabolite) et qui est codé en amont de l'opéron speF chez Escherichia coli. La structure cryo-EM que j'ai résolue a révélé comment l’ornithine est détectée de manière très spécifique par un complexe ribosomal en cours de traduction. De plus, j'ai montré que le mécanisme d'induction du gène en aval speF implique un arrêt du ribosome au niveau de speFL empêchant ainsi une terminaison prématurée de la transcription Rho-dépendante.Dans la deuxième partie de ma thèse, je me suis concentrée sur la façon dont un antibiotique ciblant les ribosomes, l'érythromycine, est détecté par un peptide d'arrêt court. L'érythromycine est capable de bloquer la traduction de manière séquence-dépendante, où le motif (+)X(+) est le motif principal de blocage. Des données biochimiques publiées antérieurement suggèrent que l'encombrement stérique et électrostatique causé par le premier acide aminé chargé positivement (+) empêche l'addition du second, arrêtant ainsi le ribosome en cours de traduction. La résolution de la structure cryo-EM d'un ribosome arrêté par un peptide MKFR en présence d'érythromycine suggère le contraire, ce qui ouvre la voie à d'autres recherches sur le sujet. / Bacteria need to rapidly adapt to the changing environment by adjusting their gene expression patterns and enzymatic activities. In most cases, the variations in their habitat involve small molecules that bacteria are able to sense and respond to. The ribosome, the machinery of the cell that catalyzes peptide bond formation, is able to detect metabolites or antibiotics to regulate gene expression via nascent-chain mediated translational arrest. In this mechanism, the peptide that is being translated (arrest peptide) stalls the ribosome by interacting with the walls of the ribosomal tunnel, the cavity through which it reaches the cytoplasm. The arrest may depend solely on the sequence of the peptide or need a small molecule to be triggered. Ribosomal stalling in turn, controls the expression of a gene that is located downstream on the same mRNA. Despite previous biochemical and structural studies, the exact mechanism of sensing of small metabolites by the nascent chain is still unknown. My PhD work focused on: (1) understanding how small molecules are sensed by ribosomal arrest peptides, and (2) a special case of ligand-dependent translational arrest: drug sensing by short arrest peptides.To address the first issue, I studied biochemically and structurally a novel L-ornithine sensing arrest peptide (SpeFL) encoded upstream the speF operon in Escherichia coli. The cryo-EM structure that I solved revealed how a small molecule is sensed by a ribosome nascent chain complex in a highly specific manner. Besides, I showed that the mechanism of induction of the downstream gene speF involves ribosomal arrest at speFL preventing premature Rho-dependent transcriptional termination.On the second part of my thesis, I focused on how a ribosome-targeting antibiotic, erythromycin, is sensed by a short arrest peptide. Erythromycin is able to block translation in a sequence dependent manner, with the (+)X(+) motif being the main stalling motif. Previously published biochemical data suggest that steric and static hindrance caused by the first positively charged amino acid prevents the addition of the second one arresting the ribosome. I solved the cryo-EM structure of a ribosome arrested by an MKFR peptide in the presence of erythromycin that shows otherwise and opens up further investigation on the matter.

Les pathosystèmes, plante-bactérie, aboutissent souvent au niveau de la plante à de profondes reprogrammations tant au niveau de la morphogenèse que du métabolome. Dans le cas de l’interaction plante-Rhodococcus fascians, une bactérie phytopathogène, il se développe au niveau du site d’infection, une structure morphologique particulière nommée « galle feuillée ». <p>Au sein de cette hyperplasie, les altérations métaboliques induites concernent non seulement les produits du métabolisme primaire mais également le métabolisme secondaire et plus particulièrement des composés qui interviennent dans les mécanismes de défense ou qui affectent la prolifération cellulaire végétale. <p>Dans le cadre de notre travail de thèse, nous nous sommes fixé deux objectifs principaux qui sont de caractériser les altérations métaboliques au niveau des tissus hyperplasiques de tabac mais aussi de rechercher des applications potentielles du point de vue thérapeutique de cette interaction.<p>L’approche métabolomique globale basée sur une analyse comparative des spectres 1H-RMN d’extraits bruts de tissus infectés et de tissus non-infectés couplée à des analyses statistiques de données multivariées (ACP, OPLS-DA) a été utilisé pour l’étude de la reprogrammation métabolique. Le résultat indique une accumulation de composés phénoliques et des métabolites de la famille des diterpènes dans les tissus de la galle feuillée. <p>Les activités biologiques des extraits de la galle feuillée ont ensuite été évaluées, notamment des activités antioxydantes (DPPH, FRAP), anti-inflammatoire (15-LOX) et antiproliférative (MTT). Il ressort de cette analyse une augmentation du potentiel réducteur et anti-radicalaire des extraits de la galle feuillée, une activité inhibitrice de la lipoxygénase ainsi qu'une activité antiproliférative sur lignées tumorales humaines, comparée à la plante non infectée. <p>L’étude des composés affectant la prolifération des cellules cancéreuses humaines a aboutit à la mise en évidence d’un mélange de molécules (F3.1.1) appartenant au groupe des incensoles (cembrènoïdes). Ces composés ralentissent la durée de la division cellulaire, affectent la taille des cellules et induisent des anomalies de la karyokinèse et de la cytokinèse des cellules de glioblastome U373. La dynamique tubuline/microtubule est identifiée comme étant la cible des cembrènoïdes (F3.1.1). L’effet des ces composés est original comparé aux anti-tubulines usuels tel que la colchicine et le paclitaxel. Le mécanisme d’action des incensoles est unique et donc prometteur du fait que la dynamique des microtubules reste une cible de choix dans le traitement des cellules cancéreuses.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le microbiote intestinal comprend l’ensemble des micro-organismes présents dans le tractus digestif. Cette flore et sa variabilité est unique et spécifique à chaque individu. L’équilibre microbien, état critique pour la santé, se développe progressivement à partir de la naissance. En complément de la fonction connue du microbiote dans la digestion, son rôle est maintenant avéré comme central dans le métabolisme humain. Dans cet écosystème complexe dans lequel cohabitent et interagissent 10¹³ bactéries, les Bacteroides, genre majoritaire au sein du microbiote, prennent en charge les fibres non digestibles de l’alimentation. Ces bactéries, anaérobies à Gram négatif, sont particulièrement bien adaptées à l’environnement intestinal tout particulièrement dans le domaine de la prise en charge des polysaccharides complexes et celui de la résistance à l’oxygène. Etonnamment, bien que l’hème soit un métabolite requis pour la croissance des Bacteroides, ces bactéries sont incapables de le synthétiser. L’hème, constitué d’un atome de fer fixé sur une porphyrie, est un cofacteur impliqué dans de nombreuses réactions enzymatiques essentielles au métabolisme central. Sa réactivité biochimique le rend responsable d’une induction de phénomènes inflammatoire de l’intestin. Nous avons étudié les interactions entre la bactérie Bacteroides thetaiotaomicron et l’hème environnemental. Nous avons d’abord développé un test permettant la détection de quantités d’hème de l’ordre du nanogramme dans des milieux complexes tels que le contenu intestinal. Nous avons ensuite montré que la bactérie commensale E. coli n’est pas la principale source d’hème lors de la colonisation du tractus digestif par Bacteroides dans un modèle de souris axénique et que l’hôte rempli ce rôle. Nous avons mis en place un système permettant de moduler la quantité d’hème présente dans le tractus digestif en piégeant la molécule sur l’hémophore HasA de Serratia marcescens. Nous avons confirmé que le système HasA était actif in vitro. Les résultats préliminaires montrent que d’une part il réduit la quantité d’hème intestinal disponible et d’autre part cela entraine un retard lors de la colonisation du tractus digestif par Bacteroides. Ce travail fournit des outils permettant de mieux comprendre les facteurs influant sur l’implantation des Bacteroides et souligne l’importance de l’hème dans le processus crucial de la primo-colonisation. Mais cela autorise également à plus long terme d’envisager l’utilisation de ce système pour diminuer la quantité d’hème disponible dans l’intestin et donc son effet pro-inflammatoire, dans les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin. / The intestinal microbiota comprises the numerous microorganisms colonizing the digestive tract. This flora, and the variations it undergoes are unique and specific to each individual. The microbial balance, which is a determinant of our state of health, develops gradually from birth. In addition to the known roles of the microbiote in digestion, it is now recognized as an important contributor to human metabolism. Among the 10¹³ bacteria inhabiting the human gut, the genus Bacteroides comprises the dominant genus, and is needed to digest complex dietary polysaccharide fibers. This feature, and the resistance to trace oxygen of these Gram-negative anaerobes make them particularly well adapted to the intestinal environment. Remarkably, although heme is a required metabolite for Bacteroides growth, these bacteria are incapable of heme synthesis. Heme, which comprises an iron atom trapped within a porphyrin ring, is a cofactor involved in numerous enzymatic reactions essential to central metabolism. Its bioactivity may also provoke intestinal inflammatory phenomena. We investigated the interactions between the bacterium Bacteroides thetaiotaomicron and environmental heme. We first developed a test to detect nanogram amounts of heme in complex media such as intestinal contents. We then showed that the commensal bacterium Escherichia coli donates heme to B. thetaiotaomicron in vitro. Nevertheless, we found that E. coli is not the major heme source for Bacteroides colonization, as tested in a germfree mouse model. This study led us to conclude that the host must be the major heme donor. We then set up a system to modulate heme availability in the digestive tract by capturing free heme on a hemophore HasA, from Serratia marcescens. We confirmed the HasA system was active in vitro. Preliminary experiments indicate that it 1- reduces levels of intestinal heme, and 2- delays B. thetaiotaomicron colonization. The present work provides tools for better understanding the factors needed for Bacteroides implantation in the gut and underlines the importance of heme in this crucial process of primocolonization. In the longer term, the bacterial heme-capture system may be considered as a means of decreasing free intestinal pools of heme and thereby its pro-inflammatory effect, in chronic inflammatory bowel diseases.

Le lactosérum et le perméat de lactosérum (WP) sont les principaux sous-produits du processus de fabrication du fromage et de la caséine. Ils sont considérés comme des polluants environnementaux en raison de leur charge organique élevée caractérisée par une haute demande biologique et chimique en oxygène. Ils créent un problème majeur d'élimination pour l'industrie laitière en raison des grands volumes de leur production annuelle. Par conséquent, il y a une demande constante de développer une approche durable pour leur utilisation afin d'éviter la pollution de l'environnement. Dans ce contexte, cette étude visait à comparer la technologie d'électro-activation (EA) à un processus d'isomérisation chimique, à alcalinité équivalente de la solution, pour produire du lactulose, qui est un prébiotique reconnu et éprouvé, en utilisant du lactose pur, du lactosérum et du perméat de lactosérum, comme matières premières sources de lactose, et de valoriser les produits électro-activés en produisant des métabolites à haute valeur ajoutée en utilisant une culture de kéfir et une culture pure de Kluyveromyces marxianus comme approche intégrée pour la valorisation complète de ces résidus de l'industrie laitière. La technologie d'électro-activation a été appliquée pour isomériser le lactose en lactulose dans un réacteur d'électro-activation modulé par des membranes échangeuses d'anions et de cations. L'électro-isomérisation du lactose en lactulose a été réalisée en utilisant des solutions de lactose (5, 10, 15 et 20 % p/v), de lactosérum (7, 14 et 21 % p/v) et de perméat de lactosérum (6, 12 et 18 % p/v) sous des intensités de courant électrique de 300, 600 et 900 mA pendant 60 min avec un intervalle d'échantillonnage de 5 min. L'isomérisation chimique conventionnelle a été réalisée à une alcalinité de la solution équivalente au KOH correspondant à celle mesurée dans les substrats électro-activés (lactose, lactosérum et perméat de lactosérum) à chaque intervalle de 5 min en utilisant de la poudre de KOH comme catalyseur à température ambiante (22 ± 2 °C). Les résultats obtenus ont montré que la production de lactulose en utilisant l'approche par électro-activation dépendait de l'intensité du courant électrique, de la concentration de la solution soumise à l'électro-activation et du temps de réaction. Les rendements les plus élevés de lactulose sont de 38 % en utilisant une solution de lactose de 10 % électro-activé pendant 40 min sous 900 mA, de 32 % en utilisant une solution de 7 % de lactosérum électro-activé sous 900 mA pendant 60 min et de 37 % en utilisant une solution de 6 % de perméat de lactosérum électro-activé sous 900 mA pendant 50 min. Parallèlement, les résultats ont montré qu'avec une approche chimique conventionnelle avec du KOH comme catalyseur, les rendements de lactulose étaient de ~27 % en utilisant une solution de 10 % de lactose pendant 60 min et de 25,47 % en utilisant une solution de 6 % de perméat de lactosérum pendant 50 min. Cependant, aucune formation de lactulose n'a été observée en utilisant du lactosérum dans le procédé chimique conventionnel à une alcalinité équivalente de la solution traitée par électro-activation. Les résultats de cette étude ont révélé que la technologie d'électro-activation est plus efficace pour la production du lactulose à partir du lactose pur, du lactosérum et du perméat de lactosérum par rapport au processus d'isomérisation chimique conventionnelle. Par la suite, la faisabilité d'utiliser les substrats à base de lactose électro-activé, du lactosérum électro-activé et du perméat de lactosérum électro-activé comme sources de carbone pour produire de la biomasse riche en protéines et métabolites à valeur commerciale élevée comme des acides organiques (lactique, acétique, citrique et propionique) et des biomolécules aux propriétés aromatiques et gustatives a été étudiée en utilisant une culture microbienne mixte provenant de grains de kéfir comme ferment et une culture pure de Kluyveromyces marxianus. La fermentation a été réalisée pendant 96 h à 30 °C en utilisant les substrats électro-activés et non électro-activés du lactose, du lactosérum et du perméat de lactosérum. Les résultats obtenus ont montré que les substrats électro-activés ont permis d'atteindre une croissance de la biomasse la plus élevée en un temps de fermentation réduit comparativement aux substrats non électro-activés en utilisant la culture de kéfir comme agent de fermentation. La croissance cellulaire la plus élevée (6,04 g/L) a été obtenue dans le lactosérum électro-activé après 72 h, qui était 1,7 fois supérieure à ce qui était obtenu dans le milieu clostridien renforcé (RCM). De plus, le lactosérum électro-activé a permis de produire un maximum de 8,46, 3,97, 0,60 et 1,02 g/L d'acide lactique, acétique, citrique et propionique, respectivement. De plus, le lactosérum électro-activé a permis la production de kéfiran la plus élevée de 2,99 g/L, suivi par le lactosérum (2,67 g/L), le perméat de lactosérum électro-activé (2,31 g/L), le perméat de lactosérum (1,88 g/L), le milieu RCM (1,42 g /L), le lactose électro-activé (1,37 g/L) et le lactose (0,91 g/L). Les résultats ont également démontré que divers composés aromatiques volatils étaient produits au cours de la fermentation du lactosérum électro-activé, ce qui peut améliorer les caractéristiques organoleptiques et la qualité sensorielle des produits fermentés. Également, K. marxianus a également montré une production satisfaisante de la biomasse dans tous les substrats utilisés et que le lactosérum électro-activé a permis d'atteindre une biomasse maximale (4,23 g/L) après 96 h de fermentation, suivie du milieu standard YM (4,85 g/L). La biomasse produite avait une teneur élevée en protéines et en lipides (24,43-57,83 et 15,44-25,64 %, respectivement) dépendamment des substrats utilisés et des conditions de fermentation. Plusieurs acides organiques majeurs comme les acides lactique, acétique, citrique et propionique ont été produits pendant la fermentation sur tous les milieux, avec des différences significatives entre les substrats électro-activés et non électro-activés. De plus, K. marxianus a produit divers composés aromatiques volatils aux propriétés organoleptiques appréciées. Le milieu de culture YM a entraîné la plus faible production d'éthanol (8,42 g/L à 48 h) tandis que la plus forte production d'éthanol a été produite dans le lactosérum non électro-activé (28,13 g/L à 48 h), suivi du lactose (27,85 g/L à 48 h), du lactose électro-activé (26,77 g/L à 36 h), du perméat de lactosérum (25,99 à 72 h), du perméat de lactosérum électro-activé (24,66 g/L à 36 h) et du lactosérum électro-activé(22,06 g/L à 48 h). De plus, un maximum de 393,85 à 988,22 mg/L de 2-phényléthanol a été atteint, selon les substrats utilisés. Par conséquent, les résultats de ce projet suggèrent que la technologie d'électro-activation peut être une approche durable émergente permettant d'atteindre le double objectif de production de lactulose, un prébiotique reconnu et éprouvé, et de valorisation intégrale du lactosérum et de ses dérivés en utilisant des bioprocédés à base de culture de kéfir et de K. marxianus pour produire des métabolites à valeur commerciale élevée pour différentes applications; y compris pour l'industrie de l'alimentation humaine et animale. Ainsi, les connaissances obtenues dans ce projet pourront servir à améliorer la valorisation du lactosérum. / Whey and whey permeate (WP) are the main agro-industrial by-products from cheese or casein production process that are regarded as environmental pollutants because of their high organic load (high biochemical and chemical oxygen demand) and are creating a major disposal problem for the dairy industry. Consequently, there is a serious demand of developing a sustainable approach for their utilization to evade environmental pollution. In this context, the study was intended to compare the electro-activation (EA) technology with a chemical isomerization process at equivalent solution alkalinity to produce a prebiotic lactulose using lactose, whey, and WP as feedstocks and to valorize the electro-activated materials into valuable metabolites using a whole Kefir culture and a pure culture of Kluyveromyces marxianus as an integrated approach for complete valorization of these waste products. The EA technique was applied to isomerize lactose into lactulose in an EA react or modulated by anion and cation exchange membranes. Electro-isomerization of lactose into lactulose was performed by using lactose (5, 10, 15, and 20%, w/v), whey (7, 14, and 21%, w/v), and WP (6, 12, and 18%, w/v) solutions under current intensities of 300, 600, and 900 mA during 60 min with a sampling interval of 5 min. The conventional chemical isomerization was carried out at the KOH-equivalent solution alkalinity corresponding to that measured in the electro-activated lactose (EA-lactose), electro-activated whey (EA-whey), electro-activated whey permeate (EA-WP) solutions at each 5 min interval using KOH powder as a catalyst at ambient temperature (22 ± 2 °C). The results showed that the production of lactulose using the EA approach was current intensity-, solution concentration-, and reaction time-dependent. The highest lactulose yields of 38 (at 40 min for a 900 mA and 10% lactose solution), 32 (at 60 min for a 900 mA and 7% whey solution), and 36.98% (at 50 min for a 900 mA and 6% WP solution) were achieved for lactose, whey, and WP, respectively. Whereas the maximum lactulose yields of ~27 (at 60 min for 10% lactose solution) and 25.47% (at 50 min for 6% WP solution) were obtained for lactose and WP, respectively. However, no lactulose was produced for whey using the chemical process at the equivalent solution alkalinity as in the EA technique. The outcomes of this study revealed that the EA technology is a more efficient technique for the enhanced production of lactulose from lactose, whey, and WP compared to the convention chemical isomerization process. Thereafter, the feasibility of using electro-activated whey-based substrates including EA-lactose, EA-whey, EA-WP as carbon sources to produce protein enriched biomass and valuable metabolites including organic acids (i.e., lactic, acetic, citric, and propionic acids) and biomolecules with aroma and flavor properties was studied using a mixed microbiota originated from whole kefir grains as a starter culture and a pure culture of Kluyveromyces marxianus ATCC 64884. Fermentation was performed for 96 h at 30 °C using both electro-activated (EA) and non-electroactivated (non-EA) substances of lactose, whey, and WP. The results showed that the EA-substrates achieved a higher biomass growth in a reduced fermentation time than their non-EA mediums using the kefir culture. The highest cell growth (6.04 g/L) was obtained for EA-whey after 72 h which was even 1.7-fold higher than a standard nutrition broth, the reinforced clostridial medium (RCM). Furthermore, EA-whey produced a maximum of 8.46, 3.97, 0.60, and 1.02 g/L of lactic, acetic, citric, and propionic acid, respectively. Moreover, EA-whey achieved the highest kefiran production of 2.99 g/L, followed by the whey (2.67 g/L), EA-WP (2.31 g/L), WP (1.88 g/L), RCM broth (1.42 g/L), EA-lactose (1.37 g/L), and lactose (0.91 g/L). The results also demonstrated that various aromatic volatile compounds were produced during the fermentation of EA-whey, which may increase the organoleptic characteristic/sensory quality of the fermented products. Nevertheless, K. marxianus also demonstrated a satisfactory biomass growth in all substrates used and EA-whey achieved a maximum biomass (4.23 g/L) at 96 h of fermentation followed by YM broth (4.85 g/L). The produced biomass had high protein and lipid content (24.43-57.83, and 15.44-25.64%) depending on the used substrates and fermentation conditions. Several major organic acids including lactic, acetic, citric, propionic acids were produced during the fermentation on all media, with significant differences between electro-activated and non-electro-activated substrates. Furthermore, K. marxianus produced various volatile aroma compounds with valued organoleptic properties. The YM-broth resulted in the lowest ethanol production (8.42 g/L at 48 h) while the highest ethanol was produced in the non-electro-activated whey (28.13 g/L at 48 h), followed by lactose (27.85 g/L at 48 h), EA-lactose (26.77 g/L at 36 h), WP (25.99 at 72 h), EA-WP (24.66 g/L at 36 h), EA-Whey (22.06 g/L at 48 h). Moreover, a maximum of 393.85 to 988.22 mg/L of 2-phenylethanol was achieved, depending on the substrates used. Therefore, the results of this work suggest that the EA technology can be an emergent sustainable technology for achieving dual objectives of prebiotic lactulose production and concurrent valorization of whey and its derivatives in Kefir culture and K. marxianus driven bioprocesses to produce valuable metabolites for different applications including in food and feed industry. Thus, this knowledge is not only helpful to reduce the production cost of dairy industries, but also provide an eco-friendly alternative for the disposal of whey/WP as a part of integrated approach for complete valorization.

Le plus grand défi qui se pose pour les générations actuelles et futures est celui des changements climatiques. Les impacts se feront sentir pour les humains, les sociétés, mais aussi pour les écosystèmes. Ces changements climatiques entrainent déjà des modifications de la faune et la flore des écosystèmes autour du globe et il est accepté que les régions du Nord subiront les modifications les plus drastiques de leurs conditions menaçant ainsi les ressources naturelles qu'elles renferment. De nombreux secrets et les connaissances associées pourraient donc disparaitre avec les changements climatiques. Les plantes et les lichens produisent toute une kyrielle de molécules jouant divers rôles dans leur croissance, leur survie, leur reproduction, leur communication, etc. Un nombre considérable de ces produits naturels issus de végétaux sont d'ailleurs utilisés en pharmaceutique, en cosméceutique, en cosmétique, en parfumerie, en alimentation, etc. Les organismes produisent des métabolites en réponse aux stress qu'ils subissent et ces stress sont très différents dans la nordicité en comparaison des autres écosystèmes de la planète ce qui peut avoir un impact sur la composition moléculaire des végétaux et des autres organismes qui s'y trouvent. Le métabolome de végétaux issus de la nordicité a été étudié, en analysant les huiles essentielles de Rhododendron groenlandicum, Rhododendron subarcticum et Myrica gale, ainsi que la fraction volatile de Betula glandulosa par chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse. Les huiles essentielles ont été comparées à des huiles essentielles des mêmes espèces ne provenant pas de la nordicité. Pour Betula glandulosa, il s'agissait de la première investigation de sa fraction volatile. Les huiles essentielles des deux Rhododendron ont également été évaluées pour diverses activités biologiques. Aussi, l'impact de la nordicité a été évalué en développant une méthodologie permettant la comparaison de la composition en métabolites secondaires d'échantillons de lichens prélevés à différentes latitudes. / The biggest challenge for current and future generations is climate change. Impacts will be felt by humans and society but also by ecosystems. Climate change already modifies fauna and flora around the world and the most intense modifications of ecosystem conditions will take place in the northern regions. The natural resources found in northern regions have a great potential. Their ecosystems are still full of secrets, knowledge that could very well disappear with climate change. Plants and lichens produce a variety of molecules playing diverse roles in their growth, their survival, their reproduction, their communications, etc. and a great number of natural products from plants are used in pharmaceuticals, cosmeceuticals, cosmetics, perfumes, foods, etc. Organisms produce secondary metabolites in response to stresses they are enduring and those are very different in northern regions compared to ecosystems elsewhere, which certainly have an impact on molecular composition of plants and other organisms evolving there like lichens. Metabolome of some plants from Nunavik have been studied, by analysis of essential oils from Rhododendron groenlandicum, Rhododendron subarcticum and Myrica gale and of the volatile fraction of Betula glandulosa by gas chromatography-mass spectrometry. Those essential oils have been compared with essential oils from the same species growing outside Nunavik. The investigation of volatile fraction from Betula glandulosa was the first ever. Essential oils from both Rhododendron species have been submitted to biological activity assays. Also, the impact of latitude has been examined by developing a method allowing comparison of secondary metabolites in lichens collected over a gradient of latitudes.

L’orientation principale des travaux de recherches qui sont présentés dans cette thèse est de valoriser les espèces nordiques de la région du Nunavik en démontrant la diversité structurale et la spécificité biochimique des métabolites qu’elles biosynthétisent. Nous croyons que la flore nordique du Québec est une source inestimable de composés bioactifs en raison des stress environnementaux auxquels les espèces sont soumisses. En fait, c’est cette pression évolutive qui mène à la diversification structurale des métabolites spécialisés afin que les espèces soient mieux adaptées à leur environnement. La dynamique des écosystèmes du Grand Nord du Québec est toutefois appelée à changer drastiquement avec les changements climatiques. L’expansion de l’arbuste Betula glandulosa depuis les années 1990 est d’ailleurs un problème préoccupant puisque la densification menace la biodiversité en altérant tant l’environnement biotique qu’abiotique des écosystèmes nordiques. Il est ainsi pertinent de caractériser le métabolome nordique de la flore du Québec via l’investigation phytochimique de ces espèces qui sont en continuelle évolution. La présente thèse rapporte les investigations phytochimiques du lichen Stereocaulon paschale qui sont axées vers l’identification de composés anti-inflammatoires. En plus de démontrer le potentiel d’inhibition de l’acide lobarique et de pseudodepsidones envers plusieurs cibles pro-inflammatoires, une relation structure-activité et un mécanisme d’action ont été proposés en réalisant des simulations d’arrimage moléculaire. L’étude de la composition phytochimique des feuilles de l’arbuste Betula glandulosa et l’évaluation du potentiel d’inhibition des métabolites vis-à-vis l’élastase sont également rapportées. L’étude de cette espèce a été un défi de taille en termes d’extraction et de purification en raison de son profil en métabolites très complexe. L’approche des réseaux moléculaires a ainsi été employée pour accélérer le rythme de la découverte des composés inédits et/ou bioactifs. L’étude détaillée du profil en métabolites et la localisation des composés d’intérêts qui ont été respectivement dérépliqués et ciblés par l’utilisation des réseaux moléculaires, sont ainsi présentées. / The main orientation of this thesis is to enhance species in subarctic ecosystem in Northern Quebec by demonstrating the high chemical diversity and biochemical specificity of the secondary metabolites they biosynthesize. We believe that northern flora of Quebec is of great interest for the discovery of novel or bioactive secondary metabolites due to extreme growing conditions in the Nunavik region. In fact, it is this evolutionary pressure that leads to the adaptation of living organisms in their specific ecosystem and the chemical diversification of natural products in nature. The dynamics of the ecosystems of Northern Quebec are, however, about to change drastically with the warming trend that is observed since the 1990s in Nunavik. The expansion and extreme densification of the dwarf birch (Betula glandulosa) in lichen-dominated ecosystems threatens biodiversity by altering biotic and abiotic environment of northern ecosystems. Hence, it is important to characterize the metabolome of northern flora of Quebec by carrying out phytochemical investigations on species that are continuously evolving. In this thesis, the phytochemical investigations of the lichen Stereocaulon paschale focused on the discovery of anti-inflammatory secondary metabolites. Herein we report the potential of lobaric acid and pseudodepsidones to reduce the expression of several pro-inflammatory targets. In addition, docking simulation experiments provided insight on the structure-activity relationship and the mechanism of action. The phytochemical study of the leaf of the shrub Betula glandulosa and the potential of the metabolites to exhibits significant elastase inhibition are also reported in the thesis. The very high complexity of the crude extracts of this species was very challenging in term of extraction and purification. The identification of novel bioactive NPs from such complex matrices remain a significant challenge in drug discovery programs. A molecular networking approach was thus used to explore the chemical diversity and accelerate the speed of the discovery of novel and bioactive NPs. By using this advanced mass spectrometry approach of dereplication, the thorough metabolite profiling of the crude extract was performed with the objective of targeting compounds of interest.

Les travaux de cette thèse sont, en partie, les fruits d’une codirection entre le laboratoire des surfaces dirigé par le professeur Peter McBreen et le laboratoire de synthèse organique dirigé par le professeur John Boukouvalas. Toutes les images ont été obtenues par les étudiants au laboratoire de surfaces et mes travaux consistaient à participer aux synthèses des composés organiques. L’autre partie concerne des projets en synthèse totale. Dans le premier chapitre, il y a la présentation de la réaction d’Orito, une réaction catalytique hétérogène asymétrique, utilisant des alcaloïdes de la Cinchona et des dérivés analogues comme modificateur chiral. Le chapitre II, à la partie A, concerne la compréhension des structures de modificateurs chiraux et de leur rôle associés au transfert de chiralité au cours de la réaction d’Orito. Les méthodes de chimie organique, soit l’hydrogénolyse du composé suivi de la synthèse d’un dérivé connu, ont permis de prouver que la structure absolue du modificateur synthétique de grande importance PNEA est R, S. L’importance de cette correction vient au fait que la structure du composé est directement liée à sa performance, en comparant avec son épimère qui ne possède pas les mêmes activités de transfert de chiralité. Ces travaux ont été publiés dans le journal ACS Catalysis. Au chapitre II partie B, c’est l’étude du transfert de chiralité d’un modificateur synthétique unique ne portant pas de groupement azote que nous avons synthétisé pour le laboratoire des surfaces avec la dihydroxylation de Sharpless. L’absence de fonction azote est très révélatrice quant à la compréhension mécanistique du transfert de chiralité. Cette absence démontre que le design de modificateur ne nécessite pas ce type d’atome dans sa structure. On retrouve l’article sur ce sujet dans le journal Surface Science. Le chapitre III contient la première synthèse d’un produit naturel, l’antrocinnamomin D, membre d’une famille de composés issu d’un champignon appelé Niuchangchih. La méthode de synthèse employée permet aussi d’obtenir deux autres membres de la famille, soit les antrodins A et B, un anhydride maléique et un maléimide. L’antrocinnamomin D, l’antrodin A et B ont été obtenus successivement en 6-8 étapes avec des rendements de 51%, 46% et 43% respectivement. Cette synthèse inclut un couplage croisé qui s’est démontré très efficace. Ce couplage fait intervenir comme catalyseur métallique un composé à base de Fe, un élément abondant et peu toxique, qui a su rivaliser le Pd, un des catalyseurs de métaux nobles habituels. Cette synthèse se retrouve dans le journal Tetrahedron. Le chapitre IV porte sur la synthèse totale d’un produit naturel rare sans azote actif comme antagoniste de la sérotonine. Ce produit a été isolé d’un champignon de sol appelé Aspergillus parvulus. Son rôle antagoniste se situe au récepteur 2C de la sérotonine. Ce récepteur est associé aux troubles liés à la dépression et les agents antagonistes ont démontré des effets bénéfiques pour les patients atteints de ce problème de santé. Cette antagoniste naturelle appelée (+)-O-méthylasparvenone fait partie d’une famille de composés naturels appelée 4-hydroxy-1-tetralone. Leur structure simpliste cache une complexité exprimée par la rareté de synthèse énantiosélective de ces composés. La synthèse asymétrique de l’antagoniste, une 4-hydroxy-1-tetralone trisubstituée, a été accomplie avec un excès d’énantiomère de 94% en 8 étapes avec un rendement global de 22%. Cette synthèse inclut trois étapes clés, dont une alkylation réductrice, une alkynylation asymétrique et une acylation de Friedel-Crafts. Cette synthèse a été rapportée dans le journal Organic & Biomolecular Chemistry. Au chapitre V, on y retrouve une synthèse totale unie et régiosélective de deux composés de la famille des rubrolides, soit les membres R et S. Ces deux composés sont issus du champignon Aspergillus terreus OUCMDZ-1925. Le rubrolide R a été décrit comme un antioxydant et le rubrolide S a démontré des activités anti-influenza A(H1N1). Les deux approches de synthèse font intervenir à la fois une condensation de type aldol vinylogue et un couplage de Suzuki comme étapes clés. Ce projet donne accès au rubrolide R en 6 étapes par une voie de synthèse avec un rendement de 8,9% et au rubrolide S avec une étape supplémentaire pour un rendement global de 8,5%. / The work of this thesis is, in part, the result of a co-direction between the surface laboratory headed by Professor Peter McBreen and the organic synthesis laboratory led by Professor John Boukouvalas. All the images were obtained by the students in the surface laboratory and my work consisted of taking part in syntheses of the organic compounds. The other part concerns projects in total synthesis. In the first chapter, there is the presentation of the Orito reaction, an asymmetric heterogeneous catalytic reaction, using Cinchona alkaloids and analogous derivatives as a chiral modifier. Chapter II, Part A, discusses the understanding of chiral modifier structures and their role associated with the chiral transfer during the Orito reaction. The methods of organic chemistry, namely the hydrogenolysis of the compound followed by the synthesis of a known derivative, have made it possible to prove that the absolute structure of the synthetic modifier PNEA is R, S. The importance of this correction comes from the fact that the structure of the compound is directly related to its performance, comparing with its epimer which does not have the same chiral transfer activities. These works were published in the journal ACS Catalysis. In Chapter II, Part B, it is the study of the transfer of chirality of a single synthetic modifier not carrying a nitrogen group that we have synthesized for the laboratory of the surfaces with the dihydroxylation of Sharpless. The absence of nitrogen function is very revealing as to the mechanistic understanding of chirality transfer. This absence demonstrates that the modifier design does not require this type of atom in its structure. The article on this subject can be found in the journal Surface Science. Chapter III contains the first synthesis of a natural product, antrocinnamomin D, a member of a family of compounds derived from a fungus called Niuchangchih. The method of synthesis used also makes it possible to obtain two other members of the family, the antrodins A and B, a maleic anhydride and a maleimide. Antrocinnamomin D, antrodin A and B were successively obtained in 6-8 steps with yields of 51%, 46% and 43% respectively. This synthesis includes a cross-coupling that has been shown to be very effective. This coupling involves as metal catalyst a compound based on Fe, an abundant and low toxicity element, which has been able to compete with Pd, one of the usual noble metal catalysts. This synthesis is found in the journal Tetrahedron. Chapter IV deals with the total synthesis of a rare natural product without nitrogen active as a serotonin antagonist. This product was isolated from a soil fungus called Aspergillus parvulus. Its antagonistic role is at the 2C receptor of serotonin. This receptor is associated with depression-related disorders and the antagonistic agents have shown beneficial effects for patients with this health problem. This natural antagonist called (+)-O-methylasparvenone is part of a family of natural compounds called 4-hydroxy-1-tetralone. Their simplistic structure hides a complexity expressed by the scarcity of enantioselective synthesis of these compounds. The asymmetric synthesis of the antagonist, a trisubstituted 4-hydroxy-1-tetralone, was accomplished with an enantiomeric excess of 94% in 8 steps with an overall yield of 22%. This synthesis includes three key steps, including reductive alkylation, asymmetric alkynylation, and Friedel-Crafts acylation. This synthesis was reported in the journal Organic & Biomolecular Chemistry. In Chapter V, we find a total, unified and regioselective synthesis of two compounds of the rubrolide family, the R and S members. These two compounds are derived from the fungus Aspergillus terreus OUCMDZ-1925. Rubrolide R has been reported as an antioxidant and rubrolide S has been shown to have anti-influenza A (H1N1) activity. Both synthesis approaches involve both a vinylogous aldol condensation and a Suzuki coupling as key steps. This project gives access to rubrolide R in 6 steps by a synthetic route with a yield of 8.9% and to rubrolide S with an additional step for an overall yield of 8.5%. / Taiwanofungus camphoratus, Aspergillus parvulus, Aspergillus terreus

Le syndrome métabolique (SM), précurseur du diabète de type 2 et des maladies cardiovasculaires, est un fléau majeur alourdissant le système de santé dans les pays industrialisés. Ces maladies ont en commun le stress oxydatif, qui contribuerait à leur développement. De plus, leur progression peut être modulée par l’alimentation, qui est source d’aliments aux propriétés pro- ou antioxydantes. Les études longitudinales décrivent depuis longtemps la consommation de viande comme étant plutôt néfaste pour la santé, alors que celle de fruits y serait favorable. La viande est entre-autres la source alimentaire principale d’acides aminés à chaîne ramifiée (AACR), métabolites dont les niveaux plasmatiques seraient élevés chez les personnes résistantes à l’insuline ou présentant le SM. Les données de 197 individus d’adiposité variée et présentant ou non le SM de la cohorte INFOGENE ont été utilisées afin de vérifier si la consommation de protéines d’origine animale ou végétale ou celle de viande rouge et des autres principaux aliments source de protéines était associée aux niveaux plasmatiques d’AACR. La relation entre ces aliments et les sous-produits du catabolisme des AACR, les acylcarnitines (AC) C3 et C5, fut par la suite investiguée. Alors qu’une forte association entre le statut d’embonpoint et la présence de SM et les niveaux plasmatiques d’AACR ou d’ACs C3 et C5 a été observée, les protéines d’origine animale et la consommation de viande rouge ne présentaient globalement qu’une modeste association avec les niveaux plasmatiques d’AACR. Ainsi, ces résultats suggèrent que l’apport en ces aliments ne serait pas le principal contributeur à l’augmentation des niveaux plasmatiques des AACR et des ACs C3 et C5. De leur côté, plusieurs études chez l’animal mettent de l’avant le potentiel du bleuet dans l’amélioration de la santé cardiométabolique. Son contenu élevé en polyphénols serait en cause. Un essai randomisé, contrôlé et à double insu fut conduit chez 49 adultes assignés à la consommation journalière de 50 g de poudre de bleuets (PB) ou placebo (PP) pour une durée de huit semaines afin d’observer si cette supplémentation affectait positivement la tension artérielle, le profil lipidique ou le degré de résistance à l’insuline des participants. En comparant les données recueillies au début, au milieu et à la fin de l’intervention et entre les groupes PB et PP, aucune amélioration dans ces paramètres ne fut observée. Ces résultats laissent suggérer que la consommation en poudre de l’équivalent de 2,3 tasses de bleuets n’aurait pas d’effet, à prime abord, sur la santé cardiométabolique d’individus à risque de développer le SM. Les bénéfices rapportés chez l’animal demeurent donc à étudier davantage chez l’humain. / The metabolic syndrome (MS), precursor to the development of type 2 diabetes and cardiovascular diseases, is a major burden for the health system in developed countries. These diseases have in common that oxidative stress is believed to contribute to their development. Moreover, their progression can be modulated by diet, which is source of pro- and anti-oxidant foods. Longitudinal studies have for a long time considered meat consumption to be rather harmful for health, while that of fruits is thought to be beneficial. Meat is the main dietary source of branched-chain amino acids (BCAA), which plasma levels are reported to be elevated in insulin resistant individuals or ones presenting the MS. Data from 197 individuals with various adiposity values with or without MS from the INFOGENE cohort were examined to assess whether the consumption of animal or vegetal protein or that of red meat and other main protein food sources were correlates of plasma BCAA levels. The relationship between these food groups and by-products of BCAAs catabolism, the acylcarnitines (AC) C3 and C5, was subsequently investigated. While a strong association between overweight status and MS and plasma BCAA or C3 and C5 ACs was observed, dietary animal protein and red meat only had a modest association overall with plasma BCAA levels. Thus, these results suggest that intakes of these foods would not be the main contributor to the increase of plasma BCAAs and C3 and C5 ACs levels. For their part, several animal studies highlighted the potential of blueberries at improving cardiometabolic health. Their high antioxidant content would underlie these findings. A randomized, double-blind placebo-controlled clinical trial on 49 adults assigned to the daily consumption of 50 g of blueberry (BBP) or placebo powder (PP) for 8 weeks was conducted to test if this supplementation positively impacted blood pressure, lipid profile or insulin resistance of participants. Comparing data collected at baseline, 4 and 8 weeks and between BBP and PP groups, no improvement in these parameters was observed. These results suggest that the consumption of a powder equivalent to 2.3 cups of blueberries did not improve the cardiometabolic profile of individuals at risk of developing MS. The benefits reported in animal studies therefore remain to be further investigated in humans.