Les phospholipides sont des constituants importants de la membrane cellulaire. Ce sont des lipides qui regroupent deux acides gras, du glycérol et du phosphate, liés de façon covalente. Ce projet de recherche vise à synthétiser de nouveaux composés phospholipides avec deux appendices greffés sur la tête phosphate : un groupe ferrocène (sonde électrochimique) ainsi qu'un groupe dansyle (unité fluorescente). Ces biomolécules modifiées pourraient être incorporées dans des liposomes et des membranes biologiques, permettant d'étudier ces superstructures par microscopie de fluorescence et électrochimique, cette dernière utilisant des ultra-microélectrodes. Le microscope pourrait servir à la détection des cellules particulières sécrétant des espèces électroactives à un potentiel donné. Donc, ces molécules ont un intérêt tant en électrochimie, en biochimie qu'en chimie organique. Le défi dans cette recherche est qu'il n'y a aucun phospholipide dans la littérature comportant à la fois les deux fonctions de visualisation : fluorescence et potentiel redox. La première étape du projet, qui consiste en la production du composé 1,2-dioléoylglycérol, a bien été réalisée en trois étapes seulement et avec un rendement global de 34 % via une mono-protection du glycérol. Le choix de la sonde fluorescente a été porté sur le groupe dansyle pour des raisons de stabilité, de facilité de couplage et de disponibilité. Le chlorure de dansyle a réagi avec l'éthanolamine pour fabriquer l'alcool à coupler, soit le N-dansyl-2-aminoéthanol, le phospholipide marqué avec le dansyle a été préparé avec succès avec un bon rendement de 85 %. Pour le dernier groupe, soit la sonde électrochimique de cette synthèse, le ferrocène a été choisi selon les prérogatives des collègues électrochimistes, pour son potentiel redox compatible avec les milieux biologiques. Le composé ferrocèneéthanol, préparé par le groupe de Prof. Mauzeroll, a été utilisé comme alcool de couplage. Ensuite, en vue d'obtenir un phospholipide fluorescent et électroactif, deux types de structures ont été visées. Le premier type est un phosphate trisubstitué combinant le 1,2-dioléoylglycérol et les deux alcools sondes, soit le N-dansyl-2-aminoéthanol et le ferrocèneéthanol. Malheureusement cette synthèse, tentée via divers protocoles connus, n'a pas fonctionné, particulièrement lors du couplage du partenaire ferrocène. Un deuxième type de composé comprend un phosphate dialkylé cette fois, combinant toujours le 1,2-dioléoylglycérol avec un autre alcool comportant à la fois le groupe dansyle et le ferrocène, en l'occurrence le (N-dansyl, N-ferrocényléthyl)-2-aminoéthanol. Malheureusement encore, cet alcool bifonctionnalisé n'a pas pu être obtenu par des méthodes usuelles. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Phospholipides, sonde électrochimique, unité fluorescente, ultra-microélectrodes, 1,2-dioléoylglycérol, ferrocèneéthanol, dansyle.

Ce travail concerne le développement de polymères alvéolaires biosourcés adaptés à l’injection microcellulaire physique (Mucell®) ainsi que l’identification des leviers (procédé et/ou matériau) permettant de contrôler la structure cellulaire.Les paramètres directeurs du procédé ont été optimisés à l’aide d’un plan d’expérience de type Taguchi permettant d’atteindre un allégement de 15% tout en conservant un niveau de performance mécanique acceptable. Par ailleurs, des modifications structurales du PBS ont été menées dans le but de contrôler le processus de formation de la structure cellulaire (dissolution du gaz, nucléation, croissance cellulaire et stabilisation de la structure). La morphologie cellulaire a été améliorée en modifiant la conformation moléculaire des chaînes, en favorisant la nucléation hétérogène ou en modifiant les propriétés élongationnelles et la tension de surface du matériau. La formulation résultante a permis une diminution de plus de 80% de la taille des cellules et une densité cellulaire multipliée par 450.Enfin, une technique de mesure du comportement rhéologique du système monophasé polymère/gaz a été développée à l’aide d’une buse instrumentée en ligne permettant d’évaluer l’effet de la dissolution du gaz sur la viscosité du matériau en fonction des conditions expérimentales de l’étude. / This work focused on the development of biobased polymer foams adapted to the microcellular injection molding (Mucell®) and the identification of the key parameters (process and/or material) controlling the cell structure.The process parameters were optimized using a Taguchi design of experiment which achieves 15% lightweighting while maintaining acceptable mechanical performances. In addition, structural modifications of PBS were carried out in order to control the foaming mechanism (gas dissolution, cell nucleation, cell growth and cell stabilization). Cell morphology has been improved by modifying the molecular conformation, promoting heterogeneous nucleation, or by adjusting the extensional viscosity and surface tension of the material. The resulting formulation exhibit a decrease of more than 80% in cell size and a cell density multiplied by 450.Finally, a measurement technique for the rheological behavior of the single phase polymer/gas mixture was developed using an instrumented on-line nozzle to evaluate the effect of gas dissolution on the viscosity under experimental conditions.

Les fonctions vasculaires sont régulées par diverses stimulations biochimiques ou mécaniques qui activent les différentes cellules composant les vaisseaux sanguins.Les réponses cellulaires qui en résultent peuvent impliquer une réorganisation du cytosquelette, des changements morphologiques, l'expression de protéines membranaires ou la libération de nombreux médiateurs. Tous ces événements sont susceptibles d'influencer les propriétés mécaniques des cellules. Ainsi, le but de la présente étude est de déterminer l'impact de l'activation de certains récepteurs au niveau des propriétés mécaniques des cellules, des modifications qui pourraient avoir de fortes implications au niveau vasculaire. Pour ce faire, nous avons utilisé deux approches expérimentales permettant d'évaluer des changements morphologiques et mécaniques de très faible amplitude : la microscopie à force atomique (AFM) et la résonance des plasmons de surface (SPR). Nous avons ainsi étudié les effets de l'activation des récepteurs de l'angiotensine II, la thrombine et la bradykinine sur la morphologie et les propriétés mécaniques de modèles cellulaires importants dans l'étude des fonctions vasculaires. Nous avons observé que l'activation du récepteur AT[indice inférieur 1] pour l'angiotensine II induit une réponse mécanique transitoire qui se traduit par une contraction du corps cellulaire, une augmentation du module d'élasticité de la cellule et une diminution de l'intégrité de l'épithélium. Quant à l'activation du récepteur PAR-1 pour la thrombine et du récepteur B[indice inférieur 2] pour la bradykinine, celle-ci provoque aussi une modification de la rigidité des cellules, mais de façon soutenue dans le temps. Ces deux agonistes augmentent aussi l'interaction entre la membrane et le cytosquelette, un phénomène observé par l'augmentation des forces requises pour l'étirement de la membrane cellulaire. Ainsi, la présente étude montre qu'une cellule peut subir des modifications importantes au niveau de ses propriétés mécaniques suivant son activation par différents agonistes, ce qui peut avoir des conséquences directes sur certaines fonctions physiologiques dépendantes des propriétés mécaniques des vaisseaux. En effet, ces changements observés au niveau de la cellule pourraient, entre autres, contribuer au contrôle du diamètre et de la compliance des capillaires, à l'adhésion des cellules inflammatoires ainsi que modifier la perception de stimuli mécaniques par les cellules endothéliales.

Naïvement perçu, le processus d’évolution est une succession d’événements de duplication et de mutations graduelles dans le génome qui mènent à des changements dans les fonctions et les interactions du protéome. La famille des hydrolases de guanosine triphosphate (GTPases) similaire à Ras constitue un bon modèle de travail afin de comprendre ce phénomène fondamental, car cette famille de protéines contient un nombre limité d’éléments qui diffèrent en fonctionnalité et en interactions. Globalement, nous désirons comprendre comment les mutations singulières au niveau des GTPases affectent la morphologie des cellules ainsi que leur degré d’impact sur les populations asynchrones. Mon travail de maîtrise vise à classifier de manière significative différents phénotypes de la levure Saccaromyces cerevisiae via l’analyse de plusieurs critères morphologiques de souches exprimant des GTPases mutées et natives. Notre approche à base de microscopie et d’analyses bioinformatique des images DIC (microscopie d’interférence différentielle de contraste) permet de distinguer les phénotypes propres aux cellules natives et aux mutants. L’emploi de cette méthode a permis une détection automatisée et une caractérisation des phénotypes mutants associés à la sur-expression de GTPases constitutivement actives. Les mutants de GTPases constitutivement actifs Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V ont été analysés avec succès. En effet, l’implémentation de différents algorithmes de partitionnement, permet d’analyser des données qui combinent les mesures morphologiques de population native et mutantes. Nos résultats démontrent que l’algorithme Fuzzy C-Means performe un partitionnement efficace des cellules natives ou mutantes, où les différents types de cellules sont classifiés en fonction de plusieurs facteurs de formes cellulaires obtenus à partir des images DIC. Cette analyse démontre que les mutations Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V induisent respectivement des phénotypes amorphe, allongé, rond et large qui sont représentés par des vecteurs de facteurs de forme distincts. Ces distinctions sont observées avec différentes proportions (morphologie mutante / morphologie native) dans les populations de mutants. Le développement de nouvelles méthodes automatisées d’analyse morphologique des cellules natives et mutantes s’avère extrêmement utile pour l’étude de la famille des GTPases ainsi que des résidus spécifiques qui dictent leurs fonctions et réseau d’interaction. Nous pouvons maintenant envisager de produire des mutants de GTPases qui inversent leur fonction en ciblant des résidus divergents. La substitution fonctionnelle est ensuite détectée au niveau morphologique grâce à notre nouvelle stratégie quantitative. Ce type d’analyse peut également être transposé à d’autres familles de protéines et contribuer de manière significative au domaine de la biologie évolutive. / Evolution is a gradual process that gives rise to changes in the form of mutations that are reflected at the protein level. We propose that evolution of new pathways occurs by switching binding partners, hence creating new functions. The different functions encountered in a given family of related proteins have emerged from a common ancestor that has been duplicated and mutated to become implicated in new interactions and to gain new functions. In this study, we will use native and constitutive active mutant variants of the Ras-like family of small GTPases as working model, to explore such gene duplications, followed by neo / sub-functionalization. The reason for choosing this family resides in the fact that it is a defined set of proteins with well known functions that are mediated through multiple protein-protein interactions. The aim of this master is to perform a classification of budding yeast phenotypes using different approaches in order to statistically determine at which level of the population these constitutively active mutations are capable to affect cell morphology. Working with a subset of the Ras-like small GTPases family, we recently developed an approach to catalogue and classify these proteins based on multiple physical and chemical criteria. Using microscopic and bioinformatics methods, we characterized phenotypes associated with over-expression of the native small GTPases of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, showing that an established classification is not very clear. We are interested to investigate how point mutations in small GTPases can affect the cell morphology and their level of impact on asynchronous population. We want to establish a method to determine and quantify mutant and wild type-like phenotypes on these populations using Differential interference contrast microscopy (DIC) images only. As for the first aim of this study, we hypothesize that clustering algorithms can partition mutant cells from wild type cells based on cell shape factor measurements. To prove this hypothesis, we proposed to implement different clustering algorithms to analyze datasets which combines measurements from wild type and respective mutant populations. We created constitutively active forms of these small GTPases and used Cdc42, Rho5, Ras1 and Rsr1 to validate our results. We observed that Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L and Rsr1 G12V mutations induced characteristic amorphous, clumped/elongated, rounded and discrete large phenotypes respectively. This classification allowed us to define a phenotypical classification related to functions. Phenotype classification of the small GTPases has been confirmed using shape factor formulas accompanied with bioinformatics approaches. These approaches which involved different clustering methods allowed an automated quantitative characterization of the phenotypes of up to 7293 mutant cells. Sequence alignment of Cdc42 and Rho5 showed 46.1% identity as well as 62.6% for Ras1 and Rsr1 allowing the identification of diverged residues potentially involved in specific functions and protein-protein interactions. Directed mutagenesis and substitution of these sites from one gene to another have been performed in some positions to test for specificity and involvement in morphology changes. In parallel, interactions observed for native and constitutively active mutants Cdc42 and Rho5 will be assayed with protein-fragment complementation assay (PCA). This will enable us to determine whether a high correlation exists between functions switches and binding partner’s switches. We propose to expand this approach to the whole Ras-like small GTPases family and monitor protein-protein interactions and functions at a network scale. This research will confirm whether enrichment or depletion of residues in specific sites induces a switch of function due to switching binding partners. Understanding the mechanism underlying such correlation is important to gain insight in the biological mechanisms underlying the Ras-like small GTPases and other proteins evolution. Such knowledge is of fundamental importance in biomedical and pharmaceutical fields, since Ras-like small GTPases represent important targets for therapeutic interventions and for the evolutionary biology field.

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Avec plus de 2 millions d’interventions chirurgicales par an dans le monde, les actes de chirurgie osseuse sont les plus fréquents, ce qui pousse les entreprises du secteur des biomatériaux pour la régénération osseuse à investir massivement pour sans cesse améliorer leurs produits. Cette thèse est issue d’un contrat CIFRE effectué avec l’entreprise Kasios afin de l’aider dans le développement de céramiques et polymères poreux principalement pour des applications en chirurgie maxillo-faciale. Les travaux réalisés s’articulent autour du développement de biomatériaux biphasiques à base de phosphate tricalcique béta (β-TCP). En premier lieu, des microfibres de polycaprolactone (PCL) incorporant des particules élémentaires de β-TCP ont été fabriquées par électrospinning. Les principales applications des fibres concernent la régénération osseuse guidée pour la préservation alvéolaire ou les opérations de relevés de sinus. L’électrospinning des fibres a utilisé des solvants ne présentant pas de toxicité aiguë. Les fibres ont formé des membranes manipulables qui peuvent être facilement découpées et suturées même en environnement humide. Les études in vitro n’ont révélé aucune cytotoxicité et les membranes ont permis la prolifération de cellules ostéoblastiques. La seconde étude a permis la fabrication d’éponges de gélatine et d’acide hyaluronique saturées ou recouvertes en surface de granules de β-TCP pour le comblement alvéolaire. Les éponges étaient facilement façonnables pour correspondre à l’alvéole du patient. Le chirurgien pourrait alors bénéficier de la nature biphasique du dispositif médical afin de faciliter l’implantation et éviter la manipulation séparée des éponges et des granules. L’utilisation des éponges permettrait par ailleurs d’assurer un positionnement idéal des granules pour la cicatrisation alvéolaire. La troisième étude, plus fondamentale, porte sur l’interaction des cellules osseuses avec le β-TCP et sa résorption. Des études de biomécanique et de biodégradation ainsi que de biodissolution ont également été réalisées sur des biomatériaux produits par l’entreprise. / With more than 2 million surgeries per year, bone tissue is one of the most concerned tissues and biomaterial companies have developed massive investments to continually improve bone regeneration.This thesis was conducted during a CIFRE contract (a tripartite contract linking a student, a university and acompany) and was done in association with the company Kasios for the development of new porous polymers and ceramics. This thesis was specifically centered in the development of biphasic biomaterials based upon beta tricalcium phosphate (β-TCP). First, polycaprolacton (PCL) microfibers incorporating β-TCP elementary particles were produced using electrospinning. These fibers were developed to provide membranes for guided bone regeneration usable in alveolar preservation and sinus lifting. Electrospinning of the fibers did not require any high toxicity solvent. Our fibers formed membranes that could easily be handled, cut and sutured in dry and wet environment. In vitrocytotoxicity studies confirmed the non-toxic nature of the material and showed the ability of the membranes to encourage survival and proliferation of osteoblastic cells. Secondly, freeze-dried gelatin and hyaluronicacid sponges saturated or embedded with β-TCP granules were developed for alveolar filling. Theses ponges could easily be shaped to fit the patient’s dental socket. The biphasic nature of the sponges could make the implantation easier and faster by avoiding surgeons to handle separately the granules and the sponges. This medical device could also insure a correct and optimal positioning of the granules for the patient healing. Lastly, a fundamental study was conducted on resorption of β-TCP and the interaction between bone cells and the biomaterial. Biomechanical and biodegradation/biodissolution studies were also done on different types of biomaterials produced by the company.

Une question centrale de la génétique moderne est de mieux comprendre comment la variation génétique présente au sein d’individus d’une même espèce influence la diversité phénotypique et l’évolution. La levure modèle Saccharomyces cerevisiae offre une occasion unique d’apporter des éléments de réponse à cette question à travers la dissection de l’architecture génétique de la variation de tolérance à des stress environnementaux à l’échelle d’une population. Mon étude révèle un niveau supplémentaire de complexité de la relation génotype-phénotype où finalement les caractères supposés les plus simples, dits Mendéliens (déterminisme strictement monogénique) peuvent se révéler être complexes (déterminisme multigénique) selon le fond génétique en raison de l’action de gènes modificateurs, d’interactions épistatiques et/ou de suppresseurs. Toutefois, les processus évolutifs peuvent être bien différents en fonction des espèces. Afin de mieux les décrypter, je me suis également intéressée à Lachancea kluyveri, une levure phylogénétiquement distante de S. cerevisiae. Cette espèce présente une diversité génétique plus élevée et constitue une ressource encore peu exploitée. L’exploration de la diversité phénotypique et la détermination de leurs origines génétiques initiées dans cette étude sont extrêmement prometteuses et apportent de solides fondations pour l’étude à la fois de l’architecture génétique des caractères et de l’évolution de la relation génotype-phénotype au sein de diverses espèces de levures. / A central issue of modern genetics is to better understand how genetic variations between individuals within a species influence the phenotypic diversity and the evolution. The budding yeast Saccharomyces cerevisiae as a model organism offers a unique opportunity to address this issue through the dissection of the genetic architecture of stress tolerance across a population. My study reveals an additional level of complexity of the genotype-phenotype relationship. Indeed, simple Mendelian traits (monogenic determinism) may become more complex (multigenic determinism) depending on genetic background due to the action of modifier genes, epistatic interactions and / or suppressors. However, evolutionary processes can be very different depending on the species. That is why a non-conventional yeast species namely Lachancea kluyveri (formerly S. kluyveri) was also studied. This species distantly related to S. cerevisiae has a higher genetic diversity and remains a relatively unexplored resource. The exploration of the phenotypic diversity and the determination of the genetic origins initiated in this study lay foundations for the analysis of the genetic architecture of traits and the evolution of the genotype-phenotype relationship within diverse yeast species.