L'objectif de ce travail de thèse est de développer une base de données spectrale pour faciliter l'annotation et l'interprétation biologique des jeux de données d'analyse métabolomique obtenus en utilisant la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse. Deux approches ont été utilisées : (i) l'identification par comparaison aux spectres de masse de composés de références et (ii) l'identification directement à partir des données biologiques. Pour la première approche une chiomiothèque de métabolite a été constituée et analysée. L'identification à partir de données biologiques a été réalisée sur une cohorte de volontaires de 227 individus travaillant au CEA. 244 métabolites ont ainsi été identifiés dans les urines humaines, donc 78 qui n'avaient jamais été décrits comme faisant parti du métabolome urinaire.139 métabolites ont également était caractérisés sur la base de leur masse précise mais sans identification formelle. Ces 383 métabolites représentent environ 1000 ions dans chacun des modes d'ionisation. Les variations physiologiques au sein de la cohorte, en fonction de l'âge, du poids et du genre, de ces différents métabolites ont été étudiées afin de construire une base de données relationnelle. Enfin, le métabolome urinaire pouvant être affecté par les conditions de prélèvement des échantillons d'urines, nous avons réalisé des études de stabilité dans les conditions de prélèvement des métabolites précédemment caractérisés. Ces études nous ont permis de proposer des recommandations en termes de conditions de prélèvement et de stockage à court terme des urines et de mesurer l'impact de la contamination bactérienne sur les concentrations de différents métabolites urinaires.

Quatre espèces halophyles, Silene maritima, Carpobrotus edulis, Senecio cineraria et Limonium latifolium, ont fait l’objet d’études phytochimiques en procédant par fractionnement bioguidé. Nous avons ainsi identifié une trentaine de métabolites bioactifs, capables de limiter la production d’espèces réactives de l’oxygène qui interviennent dans le stress radicalaire et/ou inflammatoire et/ou de favoriser la lipolyse adipocytaire. La visualisation de l’impact du biotope sur le métabolome de Silene maritima nous a permis d’identifier des marqueurs jouant un rôle important dans la capacité adaptative de cette halophyte sous l’effet de stress environnementaux. L’analyse de profils métaboliques montre clairement qu’un même individu, récolté à des moments différents et/ou dans des biotopes différents, possède une composition phytochimique variable. Afin de tester l’effet d’éliciteurs sur la capacité biosynthétique de suspensions cellulaires de Silene maritima, nous avons eu recours à la biotechnologie végétale. Nous avons également développé des conditions de culture in vitro permettant l’initiation de cals à partir d’une halophyte protégée, Crambe maritima. Ces cals pourront in fine servir à initier des suspensions cellulaires, valorisables industriellement. / Four halophile species, Silene maritima, Carpobrotus edulis, Senecio cineraria and Limonium latifolium have been studied phytochemically by bioguided fractionation. This work led to the discovery of thirty biologically active compounds able to reduce the production of reactive oxygen species that occur during inflammatory and/or radical stress, and to promote the adipocytary lipolysis. The visualization of the biotope’s impact on the halophyte Silene maritima metabolome helped us to identify markers playing an important role in the adaptative capacity of plants under environmental stress. Analysis of metabolite profiles clearly shows that the same individual harvested at a different moment and/or from a different biotope possesses an extremely variable chemical composition. In order to test elicitor effect, we used plant biotechnology. Finally, we were able to develop in vitro culture conditions permitting initiation of callus from the protected halophile Crambe maritima. The obtained callus could serve to initiate cell suspension, which is suitable for industrial purposes.

Tout au long du procédé d’élaboration d’un vin, des réactions d’oxydation peuvent se produire y compris au cours du vieillissement en bouteilles. Depuis quelques années, la profession viti-vinicole est confrontée au problème de l’oxydation prématurée des vins blancs.. A ce jour, peu d’études ont pu apporter des explications d’ordre chimique à ce phénomène, et les mécanismes réactionnels intervenant restent peu connus.L’objectif de ce travail de thèse est d’apporter, au travers d’une analyse moléculaire non ciblée en spectrométrie de masse à transformée de Fourier et à résonance cyclotronique des ions (FT-ICR-MS) couplée à une étude chimiométrique, des réponses originales aux questions posées par la problématique actuelle d’oxydation prématurée des vins blancs. Nous avons montré suite à l’étude d’une série de vins oxydés prématurément non seulement la grande diversité chimique des vins, mais aussi la présence d’un ensemble de masses typiques associées à ce phénomène. Pour une meilleure compréhension de l’origine de cette problématique, nous avons considéré deux autres types d’oxydation : une oxydation relative exclusivement à un apport contrôlé en oxygène et une autre relative à l'évolution naturelle de vins en bouteilles. Cette dernière consiste en le suivi de l'évolution des espaces chimiques de séries verticales de vins blancs et rouges en fonction du temps. Sur la série verticale des vins blancs allant de 1979 à 2006, une charnière à l’année 1990 a été observée avec des groupes de masses typiques de chacun des vins jeunes (1979-1990) et des vieux vins (1991-2006).La comparaison entre les espaces chimiques discriminants chacun de ces trois types d’oxydation ne révèle la présence que de trois masses en commun, ce qui appuie l'hypothèse de causes multiparamétriques à l’oxydation prématurée des vins blancs, qui ne serait donc pas un phénomène du exclusivement à une exposition non contrôlée à l'oxygène.Des essais d’élucidation structurale en FT-ICR-MS/MS des masses discriminantes des vins oxydés et de la série verticale ont été effectués et des schémas de fragmentation pour certaines masses sont proposés / During winemaking processes, many oxidation reactions may occur especially during the aging period. Recently, white wines are characterized by a problem of premature oxidation for which few studies have provided chemical explanation. To date, the involved mechanisms in this phenomenon remain poorly understood.The aim of this thesis project is to provide, through an untargeted molecular analysis using Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR-MS) coupled to chemometric analysis, original clue to understand the premature oxidation of white wines. Based on the study of a series of premature oxidized white wines, we were able to elucidate the high complexity and the chemical diversity of wine, and got out typical masses characterizing the oxidation state. In order to better understand the origin of this phenomenon, we considered two alternative possibilities of oxidation: the first one induced by oxygen, and the second through a natural evolution of wines in bottles. The latter included the monitoring of the chemical evolution of white and red wines as a function of time. A very interesting result was obtained on the vertical series of white wines from 1979 to 2006, where two groups were separated at the 1990 vintage to provide a group of old wines (1979-1990) and a group of new wines (1991-2006). Typical discriminant masses were found for each group.A comparison between the chemical spaces discriminating each of the three types of oxidation (premature oxidation, oxidation with oxygen and natural evolution of wine in bottle) revealed very few common masses that may indicate that the phenomenon of premature oxidation is indeed influenced by multiple factors.Finally, a structural elucidation of the typical masses of the groups of oxidized and aged wines were established using FT-ICR-MS/MS. Possible fragmentations schemes of some of these masses were proposed

La production de viande à moindre coût nécessite de disposer d’animaux robustes, efficaces, capables de s’adapter aux contraintes d’élevage. Ceci requiert l’évaluation de la capacité de l’animal à constituer et restituer ses réserves énergétiques. Ce travail de thèse a donc pour objectif d’identifier de potentiels biomarqueurs sanguins en lien avec la composition corporelle. Pour cela, deux espèces monogastriques sont étudiées, le porc et le poulet. Au sein de chaque espèce, les animaux de deux lignées génétiques (sélection divergente sur la Consommation Moyenne Journalière Résiduelle chez le porc et sur la proportion de gras abdominal chez le poulet) ont reçu des régimes alimentaires contrastés (riches en lipides et en fibres vs. riches en amidon) mais isoprotéiques et isoénergétiques. Les paramètres plasmatiques et le transcriptome du sang ont été étudiés en réponse à ces régimes alimentaires.Les métabolites et hormones plasmatiques sont affectés par le régime chez le porc alors que ces paramètres sont affectés par le régime et la lignée chez le poulet. L’analyse du métabolome associée aux mesures ciblées des concentrations en métabolites et hormones montre que l’association de plusieurs paramètres sanguins explique entre 37 et 75% de la variabilité de la masse adipeuse chez le porc ou le poulet. Pour les deux espèces, le transcriptome du sang est plus affecté par la lignée génétique que par le régime alimentaire. Les porcs et les poulets nourris avec un régime riche en lipides et en fibres, surexpriment le gène codant la forme hépatique d’une enzyme mitochondriale : CP / Meat production at a lower cost requires robust and efficient animals able to adapt to different rearing conditions. This requires assessing animal’s abilities to store and restore its energy reserves. The objective of the current thesis was to identify potential blood markers of body composition. Two monogastric species were studied, pig and chicken. For each species, animals of two genetic lines (divergent selection on Residual Feed Intake in pigs and abdominal fat proportion in chicken) received two diets contrasted in energy sources (high vegetable oils and fibers vs. rich in starch) but isoproteic and isoenergetic. Plasma parameters and the blood transcriptome were studied in response to those diets.Plasma metabolites and hormones were affected by the diet in pigs whereas those parameters were affected by the diet and the genetic lines in chickens. Metabolome analysis, associated with targeted measurement of metabolites and hormones concentrations, shows that the combination of several blood parameters explained between 37 and 75% of the variability of body fat in pig or chicken. For both species, the blood transcriptome was more affected by the line than by the diet. Pigs and chickens fed a diet rich in lipids and fibers, overexpressed the gene encoding the hepatic form of a mitochondrial enzyme: CPT1A. In summary, this work supports the potential use of blood transcriptome to study variations of phenotypes in a dynamic way throughout the life of the animal and to highlight biomarkers for future selection process.

Une méthode permettant de caractériser l’ensemble du métabolome secondaire de moisissures a été appliquée à la caractérisation des métabolomes de Penicillium nordicum, Penicillium verrucosum et Fusarium graminearum. Le substrat représentant l’unique source de carbone et d’azote des moisissures, chacun des champignons ont été mis en culture sur trois types de grains de blé: (i) grains naturels, (ii) grains marqués à 97% de 13C, et (iii) grains marqués à 53% 13C et 97% de 15N. Les extraits ont été analysés par HRMS. Les métabolites secondaires ont été spécifiquement détectés et leurs formules brutes ont été caractérisées. La caractérisation de nouveaux métabolites secondaires a ensuite été assistées par la génération de réseaux moléculaires de similarités MS/MS. L’étude de P. verrucosum et P. nordicum a permis de détecter 98 et 92 métabolites secondaires respectivement. Parmi eux, 80% étaient inconnus. La génération de réseaux moléculaires a permis de mettre en évidence un groupe de 25 composés se fragmentant de manière similaire. Seize de ces composés ont été identifiés comme étant des dérivés de fungisporines, des métabolites suspectés d’intervenir dans la croissance aérienne des champignons. Des analyses structurales ont permis de caractériser de nouveaux composés potentiellement impliqués dans l’infestation des denrées alimentaires. Le marquage du métabolome de F. graminearum par des isotopes stables a permis de mettre en évidence la production de 37 métabolites secondaires dont 29 inconnus lorsque le champignon se développe in vitro. Des analyses par MSn ont permis d’élucider les structures des fusaristatines C et D. / Characterization of fungal secondary metabolomes became a great challenge in the last decades due to both the emergence of fungal threats, and the industrial interest of many natural products; In view of this, we recently developed an analytical strategy for fungal secondary metabolome characterization (Cano P. et al. Anal. Chem. (2013) 85:8412) based on untargeted MS metabolomics applied to labeled samples. This strategy has been here validated by application to the analysis of the complex secondary metabolomes of Penicillium verrucosum and Penicillium nordicum. HRMS acquisitions performed on specific isotopically labelled samples, MS/MS experiments and in-silico emerging tools such as molecular networks, allowed to characterize 181 metabolites, including 80% of new compounds, and the structural determination of seven potential new mycotoxins. Penicillium verrucosum (NRRL 5571) and Penicillium nordicum (NRRL 6062) were grown on wheat grains (Triticum aestivum) presenting different isotopic enrichments: (i) naturally enriched grains, (ii) 97% 13C, and (iii) 53% 13C / 97% 15N. Extracts of each culture were analyzed by HPLC coupled to a LTQ-Orbitrap mass spectrometer equipped with electrospray ionization, operating in the positive or the negative mode. Metabolites were then specifically detected according to the specific isotopic pattern of their respective isotopic enrichments. Known secondary metabolites were annotated using the Antibase database, then identified by comparison with standard compounds when available. Unknown secondary metabolites were annotated using molecular networks of MS/MS similarities (Watrous J. et al.; PNAS (2012) 109 E1743). Wheat grains representing the only source of carbon and nitrogen for fungal growth, the produced fungal secondary metabolites were either unlabeled (naturally enriched cultures), singly labeled (13C cultures) or doubly labeled (13C/15N cultures). This feature allowed discrimination of fungal metabolites against non-fungal compounds which remained unlabeled in the three substrates. Fungal origin was further confirmed by analysis of a control 12C wheat extract (without fungus). Furthermore, the comparison of m/z ratios of a same metabolite detected in the three different cultures, led to the unambiguous determination of the number of carbon and nitrogen atoms and therefore to the unambiguous characterization of its chemical formula. This approach previously developed and validated on a well characterized fungus, has been here successfully applied to the characterization of the complex and unknown secondary metabolomes of P. verrucosum and P. nordicum. Analyses of the two studied fungal strains allowed the detection of 181 secondary metabolites. Interestingly, only 20% of them are suspected to match known metabolites according to databases, meaning that 80% of this metabolome is unknown. To enhance unknown identification efficiency, a molecular network of MS/MS similarities has been generated from our data. A group of 24 metabolites with highly similar MS/MS spectra was highlighted on P. nordicum and P. verrucosum. Fifteen of them were identified as cyclic tetrapeptides from the fungisporin family. Tandem mass spectrometry experiments were performed to characterize the structure of these secondary metabolites. To the best of our knowledge, this is the first time these molecules are pointed out on these Penicillium species. More interestingly, seven of the other metabolites display some similarities with fungisporins, but have never been detected on fungal metabolomes. Furthermore, although the two studied strains are genetically close, these new metabolites seem to be strain specific.

Trois modèles invasifs à large répartition en Europe, le long d'un gradient latitudinal Norvège-Portugal, ont été choisis : Sargassum muticum, Codium fragile et Gracilaria vermiculophylla. Cette thèse a pour objectif l'étude de la phénologie, de l'écophysiologie et du métabolome de ces macrophytes invasifs face à une variation de facteurs environnementaux 1) à une échelle locale, 2) à l'échelle du gradient latitudinal (en lien avec le changement climatique global) ainsi que l'étude 3) des voies de valorisation possibles des métabolites de stress par bio-inspiration. Le gradient latitudinal, se traduisant par un gradient thermique, permet de mimer le réchauffement climatique car les conséquences de ce changement climatique sur les espèces en milieu naturel ne sont généralement appréciables qu'à l'échelle de dizaines d'années. Les suivis de l'écologie, dumétabolome ainsi que des impacts potentiels de ces espèces à une échelle locale en France, a permis d'étudier le développement et le cycle de vie des espèces. En particulier, G. vermiculophylla se caractérise par une phénologie spécifique (avec la prépondérance de petits fragments végétatifs, <3cm) en Rade de Brest et par une tolérance accrue à l'envasement jusqu'à 12 cm de profondeur en acclimatant son métabolome tout en maintenant une physiologie dormante. Cette espèce ingénieur impacte en profondeur l'écosystème vaseux de la Rade. Le suivi le long du gradient latitudinal a permis d'illustrer la plasticité phénologique des espèces et notamment un potentiel invasif contrasté de C. fragile entre les différentes latitudes. Lors de marée basse de vives eaux, les espèces présentent une acclimatation de leur photo-physiologie en fonction de la latitude avec la mise en évidence d'une photoinhibition du PSll, lié au stress engendré par les conditions environnementales.Enfin, ce travail a illustré les propriétés multifonctionnelles d'extraits enrichis en composés phénoliques, présentant des activités antioxydantes mais également photoprotectrices ou ostéogéniques, soulignant l'émergence de voies de valorisation originales par bio-inspiration pour divers secteurs tels que la cosmétologie et les biomatériaux en santé humaine. / Three model species with a large distribution along European coasts, along a latitudinal gradient from Norway to Portugal was chosen: Sargassum muticum, Codium fragile and Gracilaria vermiculophylla. The aims of this PhD thesis were to study the phenology, ecophysiology and the metabolom of these non-native marine macrophytes and their ability to cope with a variation of environmental factors 1) at a population scale, 2) along the latitudinal gradient (in relation with the global climatic change) and to propose 3) bio-inspired molecules for industrial purposes. The latitudinal gradient corresponding to a thermic gradient, allows to imitate the global warming as climatic change ¡mpacts are most of the time only visible at decennial scale.Monitorings of ecology, metabolome and potential impacts of these macroalgae, at a population scale, allowed to study the development and life cycle of these models. In particular, G. vermiculophylla exhibited a specific phenology (with a majority of small vegetative fragments, <3cm) in the Bay of Brest and a highly tolerance to burial until 12 cm depth in the sediment by acclimatizing its metabolome together with the ability to maintain a dormancy physiology. This engineer species modifies deeply muddy shores of this Bay. Latitunal gradients's monitoring highlighted the phenological plasticity and a contrasted invasive potential of C.fragile between latitudes. During low spring tides, species exhibited an acclimation of their photophysiology between latitudes with photoinhibition process related to induce environmental stress. Furthermore, this work showed the multifunctional properties of polyphenols enriched extracts with antioxidant, photoprotective or osteogenic activities, highlighting the emergence of original bio-inspired pathways for cosmetic or biomaterial applications.

La nutrition périnatale conditionne durablement les fonctions physiologiques, avec des conséquences sur la susceptibilité à développer des maladies métaboliques à l’âge adulte. Le microbiote représente un des acteurs de cette empreinte nutritionnelle. L’objectif est de déterminer chez le porc l’impact d’une supplémentation périnatale en fructo-oligosaccharides à courte chaîne (scFOS) sur le développement des fonctions immunitaires et endocrines intestinales et les conséquences sur la santé métabolique de l’adulte en situation de déséquilibre nutritionnel.La supplémentation maternelle en scFOS, en modifiant le microbiote de la mère et de la descendance et la qualité du lait, accélère la maturation du système immunitaire intestinal des porcelets allaités.La fenêtre d’exposition (maternelle vs post-sevrage) conditionne la nature des modifications immunes induites par les scFOS. La supplémentation périnatale en scFOS modifie la réponse métabolique de l’adulte à un régime déséquilibré en stimulant la fonction endocrine intestinale et la sensibilité du pancréas au glucose, en réduisant les risques d’inflammation, et en modifiant l’homéostasie métabolique, associé à des modulations du microbiote.En résumé, la consommation périnatale de prébiotiques programme le phénotype métabolique et immunitaire de l’adulte via des modulations persistantes du microbiote. L'approche intégrée des données a permis d’identifier des acteurs moléculaires impliqués dans l’adaptation différentielle des individus à un régime déséquilibré en fonction de leur alimentation périnatale. / Perinatal scFOS supplementation modifies metabolic response to an unbalanced diet in adults by stimulating intestinal endocrine function and pancreas sensitivity to glucose, by reducing risks of inflammation, and in fine by changing metabolic homeostasis in association with modifications of microbiota.In summary, prebiotic consumption during perinatal life programs the immune and metabolic phenotype of adults through persistent modulations of intestinal microbiota. The integrated approach of data enables us to identify molecular actors involved in the differential adaptation of individuals to an unbalanced diet according to their perinatal nutrition.