Le mercure est présent dans l'environnement à cause de phénomènes naturels (volcans) ou des activités humaines (combustion de combustibles fossiles). Le mercure existe sous forme de mercure élémentaire (Hg0), ionique (HgII) ou organique tel le méthylmercure (MeHg). Ces diverses formes sont en flux constant les uns avec les autres dans le cycle biogéochimique naturel. De par leur grande hydrophobicité et leur capacité à pénétrer les membranes biologiques, les composés organomercuriels contituent la forme la plus toxique de mercure retrouvée dans l’environnement Des niveaux élevés de MeHg ont d’ailleurs été détectés dans la chaire de poissons de nombreuses régions du monde. Conséquemment, une consommation de produits de la mer contaminés représente un grave danger pour la santé humaine. Certaines bactéries isolées à partir d'environnements contaminés par le mercure ont évolué vers un système qui leur permet de convertir efficacement les composés mercuriels présents autant sous forme ionique qu’organique en un mercure élémentaire moins toxique. Cette résistance au mercure s’explique par l'acquisition d'un élément génétique connu sous le nom d’opéron mer. L’opéron mer code entre autre pour deux enzymes importants : la lyase organomercurielle MerB et la réductase mercurielle MerA. MerA catalyse la réduction du HgII conduisant à la formation du mercure élémentaire Hg0 qui est un composé volatile et moins toxique. MerB, quant à elle, catalyse la protonolyse de la liaison carbone-mercure de composés organomercuriels pour produire un composé réduit de carbone et du mercure ionique (HgII). Au vu des effets des organomercuriels et de la réduction de HgII, MerA et MerB sont considérés comme des enzymes clés pouvant servir à la biorestauration des cours d'eau contaminés par les organomercuriels. Une compréhension claire des détails mécanistiques de la façon dont MerA et MerB fonctionnent ensemble au niveau atomique est donc cruciale dans la mise en œuvre de biotechnologies implicant l’opéron mer dans les efforts de bioremédiation. Dans cette étude, nous avons utilisé la résonance magnétique nucléaire (RMN)et la cristallographie aux rayons X pour caractériser la structure et le mécanisme enzymatique de MerB de E. coli. Sur la base d’études structurales précédentes de MerB de E. coli, trois résidus (Cys96, Asp99 et Cys159) ont été identifiés comme constituant la triade catalytique nécessaire au clivage de la liaison carbone-Hg. En guise de suivi aux études antérieures, mon projet consiste d’abord à utiliser la cristallographie aux rayons X afin de définir les rôles de Cys96, Asp99 et Cys159 dans la liaison du substrat et dans le clivage. Deux approches ont été mises en œuvre pour atteindre cet objectif. Tout d'abord, les mutants MerB ont été testés pour définir le rôle des résidus catalytiques. Deuxièmement, les inhibiteurs de MerB et d'autres substrats non organicomercuriels potentiels ont été utilisés pour explorer le site actif de MerB. Une sérine se retrouve à la position de Asp99 dans quatre variants de MerB répertoriés chez les bactéries. Pour mieux comprendre le rôle de Asp99, nous avons comparé la sérine présente dans le variants MerB de Bacillus megaterium (MerB2) et introduit un variant D99S à la protéine MerB du type sauvage d’E. coli (MerB D99S). Nous avons pu constater que la forme purifiée de MerB D99S se caractérisait par une couleur rose après avoir visualisé sa structure cristalline aux rayons X, révélant la présence d'un métal lié au niveau de son site actif. Les analyses par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) et par fluorescence des rayons X indiquèrent que MerB D99S se liait au cuivre au niveau du site actif. En outre, les analyses par résonance paramagnétique électronique (EPR) et des études de RMN ont identifié la forme CuII du cuivre. L'addition de substrats organomercuriels a pu déplacer le CuII entrainant ainsi une diminution de l’activité catalytique de MerB D99S. En revanche, MerB2 n'a pu être co-purifié avec le cuivre, bien que la structure aux rayons X du complexe MerB2-Hg soit pratiquement identique à la structure du complexe MerB D99S-Hg. Ceci suggère que le résidu Asp99 est essentiel au clivage des liaisons carbone-Hg de composés organiques du mercure et dirige la spécificité de la liaison au métal. De plus, la liaison cuivre-MerB D99S propose un lien possible entre l'évolution de MerB et son homologue structural, la protéine NosL. Dans la seconde approche, nous nous sommes intéressés au site actif de MerB en testant sa liaison à des composés organostanniques et à des composés organoplombiques avec un inhibiteur de MerB connu sous le nom de triéthylétain (TET) qui se lie au résidu Asp99 sans s’associer aux cystéines du site actif. Une liaison similaire a été observée avec un autre inhibiteur à savoir le triméthylplomb (TML). Quant au diméthylétain (DMT), il inhibe MerB à l'aide d'un mécanisme alternatif en se liant d'abord à Asp99 puis à Cys96 conduisant à un changement critique dans le site actif perturbant ainsi l’interaction π-cation entre Trp95 et Arg155. D’autres inhibiteurs comme le diéthylétain (DET) et le diéthylplomb (DEL) ont été caractérisés comme étant un substrat de MerB où les deux groupes éthyle ont été clivés pour donner les produits ioniques SnIV PbIV qui se lient au site actif de manière similaire à HgII. DMT, DET et DEL présentent une affinité pour la liaison à MerB supérieure à celle de son substrat initial MeHg. Ces résultats suggèrent que les composés organomercuriels ne sont pas les seuls substrats pour MerB et Asp99 est le premier résidu à se lier aux composés organométalliques suivis de la liaison à Cys96 et Cys159. Ces observations suggèrent un agrandissement de l’éventail d'applications possibles pour MerB dans la bioremédiation de certains sites contaminés par des composés organométalliques tels les organoplombiques et organostanniques. Mot-clé: Organomercuriallyase, Merb, organoplombiques. Organostanniques, protéine de liaison cuivre, carbone liaison métallique clivage, méthylmercure, Organomercuriels, biorestauration, résonance magnétique nucléaire, la cristallographie aux rayons X. / Mercury is introduced into the environment from either natural occurrences (volcanoes) or from human activities (combustion of fossil fuels). Mercury exists as elemental mercury (Hg0), ionic mercury (HgII) or organic mercury like methylmercury (MeHg) and these forms are in constant flux with each other as part of the natural biogeochemical cycle. Organomercurial compounds like MeHg are the most toxic form because of their hydrophobicity and their ability to efficiently permeate membranes and bioaccumulate in organisms. High levels of MeHg have been found in fish in many areas around the world, and therefore human consumption of contaminated seafood represents a serious danger for human health. Bacteria isolated from mercury-contaminated environments have evolved a system that allows them to efficiently convert both ionic and organic mercury compounds to the less toxic elemental mercury. The mercury resistance is due to the acquisition of a transferable genetic element known as the mer operon. The mer operon encodes for several proteins including two enzymes, the organomercurial lyase MerB and the mercuric ion reductase MerA. MerB catalyzes the protonolysis of the carbon-mercury bond of organomercurial compounds to produce a reduced-carbon compound and inorganic ionic mercury HgII. MerA catalyzes the reduction of HgII to elemental mercury Hg0, which is volatile and less toxic. Due to their ability to cleave MeHg and reduce the resulting HgII product, MerB and MerA are considered crucial to bioremediation efforts to clean up MeHg from contaminated waterways. A clear understanding of the mechanistic details of how MerB and MerA function together at the atomic level is crucial for appropriate utilization of the mer system in bioremediation efforts. We have been using nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and X-ray crystallography to structurally and mechanistically characterize E. coli MerB. Based on previous structural studies of E. coli MerB, three residues (Cys96, Asp99 and Cys159) have been identified as a catalytic triad which is required for carbon-Hg bond cleavage. As a follow up to the earlier studies, my project involves using X-ray crystallography to define the roles of Cys96, Asp99 and Cys159 in substrate binding and cleavage. Two different approaches were implemented to fulfill this goal. Firstly, MerB mutants were tested to define the role for the catalytic residues. Secondly, MerB inhibitors and other potential non-organomercurial substrates were used to probe MerB active site. The Cys,-Asp-Cys catalytic triad found in E.coli MerB is conserved in all MerB variants except four variants where aspartic acid is replaced by a serine. To understand the role of Asp99, we compared a serine-containing MerB variant (Bacillus megaterium MerB2) and an E. coli MerB mutant (MerB D99S) to wild type E. coli MerB. Interestingly, the purified MerB D99S protein was found to contain a pink color. X-ray crystal structure indicated the presence of a bound metal in the active site of MerB D99S. Analysis by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and X-ray fluorescence indicated that MerB D99S binds copper in the active site. Further, electron paramagnetic resonance (EPR) and NMR studies identified the copper as CuII. Addition of organomercurial substrate displaces bound CuII but MerB D99S shows diminished catalytic activity. In contrast, MerB2 did not co-purify with copper although the X-ray structure of MerB2-Hg complex is virtually identical to the structure of the MerB D99S-Hg. This suggests that the aspartic acid residue is crucial for the cleavage of carbon-Hg bonds of organomercurials as well as metal-binding specificity. Furthermore, the binding of copper to the MerB D99S protein suggests a possible evolutionary link between MerB and its structural homolog, the copper-binding protein NosL. In the second approach, we probed the active site of MerB through testing its binding to organotin and organolead compounds. The known MerB inhibitor triethyltin (TET) binds to Asp99 without binding to any of the active site cysteines. A similar binding has been observed with trimethylead (TML). Dimethyltin (DMT) inhibits MerB using an alternative mechanism. It first binds to Asp99 then Cys96, which induces a dramatic change in the active site by disrupting a cation-π interaction between Try95 and Arg155. In contrast, diethyltin (DET) and diethylead (DEL) were found to be substrates for MerB, where both ethyl groups were cleaved and the SnIV and PbIV products bound to the active site in a similar manner to HgII. DMT, DET and DEL show higher binding affinity to MerB than its initial substrate MeHg. These results suggest that organomercurials may not be the only substrates for MerB and Asp99 is the first residue to bind to organometals followed by subsequent binding to Cys96 and Cys159. In addition, these observations suggest that there are other possible applications for employing MerB in bioremediation of organolead and organotin contaminated sites while other organometals may have implications when using MerB in bioremediation systems. Keyword: Organomercuriallyase, MerB, Organolead. Organotin, Copper binding protein, Carbon metal bond cleavage, Methylmercury, Organomercuriels, Bioremédiation, Nuclear magnetic resonance, X ray crystallography.

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

La dispersion dans des milieux poreux homogènes (empilements de grains) a été étudiée par des mesures par résonance magnétique nucléaire (RMN) et des simulations de marches aléatoires dans un réseau de pores. La RMN permet de mesurer l’ensemble des déplacements des molécules d’eau durant un temps tΔ, et d’obtenir propagateurs et moments caractéristiques. L’évolution temporelle du second moment σ (σ2 ∝ taΔ) permet de caractériser de manière précise le régime de dispersion des molécules (Gaussien ou anormal). Des mesures pour des écoulements de 15 < Pe < 45 dans un empilement de grains de 30μm ont permis d’observer une dispersion anormale faiblement super-dispersive (a = 1.17) en écoulement saturé et une augmentation progressive du caractère super-dispersif avec la diminution de la saturation en eau (jusqu’à a = 1.5 pour 42 %)lors d’une co-injection stationnaire eau-huile. En écoulement saturé, les propagateurs et courbes de percée sont quasi-gaussiennes, tandis qu’en écoulement insaturé, les propagateurs sont asymétriques et les courbes de percée présentent des trainées aux grands temps. Dans ces conditions, on montre que la dispersion anormale observée est mieux décrite par des lois stables de Lévy que par des lois gaussiennes. Des simulations de marche aléatoire ont été réalisées dans un réseau de pores extrait d’un milieu poreux réel par imagerie microscanner.Elles permettent d’obtenir les mêmes informations que la RMN, les marcheurs se déplaçant par advection et diffusion. Ces simulations montrent l’existence d’une stagnation non observée dans les expériences, montrant que la simplification du réseau poreux est trop importante et empêche de reproduire certains aspects du champ de vitesses détecté par la RMN. Toutefois, l’évolution temporelle du second moment a également un caractère super-dispersif à temps long à 100 % de saturation / We investigated dispersion in homogeneous porous media (grain packs) by nuclear magnetic resonance (NMR) measurements and random walk simulations in pore networks. We measured water molecules displacements during a time interval tΔ by NMR measurements, which allows us to obtain propagators and charateristic cumulants of displacements such as the mean square displacement σ. The evolution of the cumulant σ as a function of time tΔ (σ2 ∝ taΔ) is a very sensitive test of Gaussian behaviour compared to the analysis of the shape of propagators. In a homogeneous 30μm grain pack and low Peclet numbers (15 < Pe < 45), we observed weak super dispersion in saturated conditions (a = 1.17) and gradually stronger super-dispersionas the water saturation decreases (up to a = 1.5 for 42 %) during steady-state oil-water two phase flow. Insaturated conditions, propagators and breakthrough curves are Gaussian or nearly Gaussian, whereas in two phase conditions, propagators are non symmetric and breakthrough curves show thick tails at long time. Weshow that the anomalous dispersion observed is better explained by Lévy stable laws (asymetric for longitudina ldispersion, and symetric for transverse dispersion) than by Gaussian laws. Random walk simulations were performed in a pore network constructed using high resolution images of the grain pack. They allow us to obtain the same informations than the NMR, with walkers submitted to diffusive and advective effects. The simulations show the existence of an anomalous stagnation not observed in experiments, highlighting the oversimplification of the pore network that prevent reproducing some aspects of the velocity field detected by NMR. However, the simulations indicate similarly a super-dispersion at long time in saturated conditions

La métabonomique est une approche de choix pour l’identification de biomarqueurs d’intérêts pour le diagnostic de pathologies mais aussi pour l’amélioration de notre compréhension des processus physiopathologiques. La métabonomique offre de nouvelles perspectives en épidémiologie moléculaire, objet principale de cette thèse. Nous avons appliqué l’approche métabonomique par RMN à haut champ à l’analyse de sérums sanguins issus de la cohorte prospective EPIC (European Prospective Investigation into Cancer and nutrition) dans le but d’identifier des biomarqueurs de la survenue du cancer du foie et du cancer du pancréas. L’analyse statistique des profiles métaboliques des sérums obtenus par RMN à 800MHz a permis de mettre en évidence une signature métabolique associée à l’occurrence des hépatocarcinomes (HCC) à cinq ans avant diagnostic en moyenne. L’analyse stratifiée des données a révélé des biomarqueurs précoces mais aussi des biomarqueurs de l’étiologie des HCC. L’analyse métabonomique portée sur le cancer du pancréas n’a à l’inverse pas été concluante. Des méthodes pertinentes pour l’analyse des cohortes épidémiologiques par métabonomique ont été développées, telle qu’une méthode de correction d’effet batch rendant possible la comparaison de données RMN acquises au cours d’une longue période de temps. La méthode statistique PCPR2 développée permet de quantifier l’impact de différents facteurs sur les données métabonomique afin d’en révéler les sources de variations systématiques. D’autre part, l’approche métabonomique permet également l’investigation de questions biologiques plus fondamentales. Cette thèse offre une approche de génomique fonctionnelle à l’étude des cibles métaboliques du récepteur aux hormones thyroïdiennes TRβ dans le foie. L’analyse des données HR-MAS de tissus de foie intacts complémentée par l’analyse d’extraits hépatiques sur un modèle de souris a permis d’éclaircir le rôle de ce récepteur nucléaire. / Metabonomics is a recent approach that enables not only to identify relevant biomarkers for disease diagnosis but also to improve our understanding of biological processes by gaining insight into metabolism. This thesis is mainly dedicated to the application of metabonomics to molecular epidemiology. High-field NMR metabonomic approach was applied to the analysis of serum samples from the large prospective cohort EPIC (European Prospective Investigation into Cancer and nutrition) to identify biomarkers of liver cancer and pancreatic cancer occurrence. The statistical analysis of NMR serum metabolic profiles obtained at 800 MHz enabled to highlight a metabolic signature associated with the occurrence of hepatocellular carcinoma (HCC), in average five years before diagnosis. The stratified analysis revealed both early and etiologic biomarkers of HCC. The NMR metabonomic analysis of the pancreatic cancer did not reveal any metabolic signature of this cancer. Moreover, relevant methods to allow the NMR metabonomic analysis of epidemiological cohort were developed. This thesis proposes a method to correct data for batch effect, making possible the comparison of NMR data recorded in a long period of time. The statistical method PC-PR2 developed enables the quantification of the contribution of different factors onto metabonomic data to reveal systematic variation sources. In addition, the metabonomic approach is also suitable to address specific biological questions by providing a new read-out of the metabolism. Functional genomics by NMR metabonomics was used in this thesis to study the metabolic targets of the thyroid hormone nuclear receptor TRβ in the liver. The analysis of HR-MAS data obtained on intact liver tissue in addition to the analysis of NMR data of liver extracts from a mice model enabled to better understand the role of this nuclear receptor.

L’étude de la structure du nucléon est un sujet actif de la recherche et un des objectifs majeurs du Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab). Dans cette optique et afin d’obtenir des résultats statistiquement significatifs, il est essentiel d’avoir une cible polarisée ayant à la fois une haute polarisation et une densité de matériel polarisé élevée. Cette thèse présente les principes et utilisations d’une cible de deutérure d’hydrogène (ou cible de HD) qui remplit les deux conditions précédemment énoncées. Bien qu’il ait été prouvé que la cible de HD pouvait être utilisée avec succès sous un faisceau de photons de haute intensité, il restait à montrer si elle pouvait résister un faisceau d’électrons de courant relativement élevé (nA). Dans ce but, la cible de HD a été testée pour la première fois dans son mode de “spin gelé” sous un faisceau d’électrons pendant l’expérience g14 dans le Hall B de Jefferson Lab en 2012. Deux méthodes de polarimétrie sont également décrites dans cette thèse : une par Resonance Magnétique Nucléaire appliquée à la cible de HD pendant les tests sous un faisceau d’électrons, et une autre utilisant la réaction de diffusion élastique d’un faisceau d’électrons sur une cible en utilisant des données élastiques sur l’hélium-3 prises en 2003 pendant l’expérience E97-110 dans le Hall A de Jefferson Lab. / The study of the nucleon structure has been a major research focus in fundamental physics in the past decades and still is the main research line of the Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab). For this purpose and to obtain statistically meaningful results, a highly efficient polarized target is essential. This means high polarization and high relative density of polarized material. This dissertation presents the principles and usage procedures of a Hydrogen Deuteride (HD) target that presents both such characteristics. Although the HD target has been shown to work successfully under a high intensity photon beam, it remained to be seen if the target could stand an electron beam of reasonably high current (nA). In this perspective, the HD target was tested for the first time in its “frozen spin” mode under an electron beam during the g14 experiment in the Jefferson Lab’s Hall B in 2012. Two methods of polarimetry are also discussed in this dissertation : one with Nuclear Magnetic Resonance of this HD target during the electron beam tests, and another with the elastic scattering of electrons off a polarized target by using data taken on helium-3 during the E97-110 experiment that occurred in Jefferson Lab’s Hall A in 2003.

Cette thèse a trait aux paramètres dynamiques de la RMN, ceux-ci permettant d'accéder aux différents types de mouvement : la réorientation moléculaire, accessible via les paramètres de relaxation, et la translation, directement caractérisée par le coefficient d'auto-diffusion. Après une introduction aux concepts théoriques de la relaxation de spin, c'est à travers trois applications que nous mettons en oeuvre différents paramètres dynamiques (temps de relaxation, paramètres d'Effet Overhauser Nucléaire, coefficients d'auto-diffusion). L'interprétation des résultats expérimentaux conduit à des informations très variées qui ne concernent pas uniquement la dynamique des molécules mais également leur structure, comme par exemple les distances interatomiques, ou les arrangements dans des systèmes supramoléculaires. La caractérisation structurale et dynamique d'un organogel constitue le fil conducteur de cette thèse. Chacun des trois chapitres suivants est en effet dédié à une technique RMN appliquée, entre autres, à ce système afin de mettre en évidence la relation qui existe entre la structure du gélateur et son pouvoir gélifiant, et de déterminer le rôle joué par le solvant dans le processus d'organogélation. Deux autres applications sont envisagées : au troisième chapitre, consacré à la relaxation croisée, nous mettons en évidence la configuration Z ou E d'un intermédiaire de synthèse; dans le quatrième chapitre, consacré à la diffusion translationnelle, nous proposons une méthode très simple pour analyser les composants d'un mélange de trois terpènes à partir des coefficients d'auto-diffusion déterminés par RMN du carbone-13 / This thesis deals with NMR dynamical parameters, the latter leading to the two types of molecular motion: reorientation, obtained via relaxation parameters, and translation motion, directly probed by self-diffusion coefficient. First, spin relaxation concepts are introduced theoretically. Then, various dynamical parameters (relaxation times, Nuclear Overhauser Effet parameters, self-diffusion coefficients) are envisioned for studying three different systems. The interpretation of experimental results provides a variety of information that does not only concern the dynamics of molecules but also their structure, such as interatomic distances, or their organization in supramolecular systems. Structural and dynamic characterization of an organogel is the lead of this thesis. Indeed, each of the three following chapters is dedicated to a given NMR technique which is applied, among other things, to this system in order to study: i) the correlation between the gelator structure and its gel formation ability, ii) the role played by the solvent in the gelification process. Two other applications are considered: in the third chapter, devoted to cross-relaxation, we discriminate the Z or E configurations of a synthetic intermediate. In the fourth chapter, devoted to translational diffusion, we propose a very simple method for analyzing a mixture of three terpenes from NMR carbon-13 experiments

La méthode de conception de médicaments à partir de molécules « fragments » (connue sous le nom de « Fragment-Based Drug Design ») a été proposée au milieu des années 90, et a depuis été reconnue comme une alternative tangible aux techniques plus classiques de recherche de médicaments telles que le criblage à haut débit par exemple. La méthode des fragments consiste à cribler un petit nombre (< 10000) de composés organiques de faible poids moléculaire (< 300 Da) afin de détecter ceux qui se lient à la cible (protéine ou acides nucléiques). Du fait de leur faible complexité, les fragments présentent une affinité faible pour la cible, et la détection s'effectue généralement grâce à une technique biophysique (en particulier, résonance magnétique nucléaire (RMN), cristallographie aux rayons X, résonance plasmonique de surface). Les fragments « hits » sont ensuite modifiés par addition de nouvelles fonctions chimiques, ou par liaison de deux fragments, afin d'élaborer, étape par étape, une molécule capable d'établir des interactions plus nombreuses avec la cible, et d'améliorer ainsi l'affinité. Comparée aux méthodes classiques de criblage haut débit, la méthode des fragments offre divers avantages, notamment une meilleure exploration de l'espace chimique, une meilleure efficacité de liaison des molécules « hits », et une plus grande facilité d'optimisation des hits en molécules plus affines. Dans le cadre de ce projet de thèse, plusieurs aspects de la méthode des fragments ont été abordés : dans une première partie, nous étudions un cas concret d'application de la méthode des fragments à la recherche d'un inhibiteur de la peroxiredoxine 5 humaine, en utilisant la RMN comme outil de criblage des fragments ainsi que comme outil d'étude des interactions protéine-fragment. La découverte d'un inhibiteur de cette enzyme représente une avancée importante, qui devrait permettre de mieux comprendre son fonctionnement. Les autres parties de ce projet de thèse abordent des aspects plus méthodologiques de la méthode des fragments : les fragments conservent-ils leur site de liaison, leur efficacité de liaison et leur mode d'interaction au cours de leur élaboration en inhibiteur ? Les fragments peuvent-ils être spécifiques d'une protéine ? D'un site de liaison particulier ? Ces questions, rarement traitées, sont pourtant essentielles à la compréhension du comportement des molécules fragments, et sont abordées d'une part en défragmentant plusieurs inhibiteurs de la protéine Bcl-xL et en étudiant par RMN le comportement de ces fragments vis-à-vis de la protéine en termes d'affinité et de site de liaison, d'autre part en réalisant le criblage par RMN d'une série de fragments sur cinq protéines différentes (peroxiredoxine 5 humaine, sérum albumine humaine et trois protéines homologues de la famille Bcl-2). De manière générale, ce projet de thèse vise à étudier des aspects peu abordés de la méthode des fragments et à proposer des pistes permettant de mieux comprendre le comportement des fragments vis-à-vis de leur cible, au cours du criblage initial comme lors de leur optimisation / Fragment-Based Drug Design (FBDD) has been proposed in 1996 and has since been recognized as a tangible alternative to the more classical drug discovery methods such as High-Throuput Screening. FBDD consists of screening a small number (< 10 000) of low-molecular weight (< 300 Da) compounds and detect those that bind to the target (protein or nucleic acids). Because of their low complexity, fragment molecules usually display low affinities for their target, hence detecting fragment-protein interactions is mostly achieved using a biophysical technique (mostly Nuclear Magnetic Resonance (NMR), X-ray crystallography or Surface Plasmon Resonance). “Hit” fragments are then modified by addition of chemical substituents, or linked together, so as to elaborate a more complex molecule, forming more interactions with the target and hence displaying an improved affinity. As compared to the more classical High Throughput Screening method, fragment screening provides several advantages, including a better exploration of chemical space, highly ligand-efficient hits and easier optimization of the hits into more affine molecules. In this PhD project, several aspects of FDBB have been addressed : first, FBDD approaches were applied to the research of an inhibitor of the human peroxiredoxin 5 protein, using NMR not only as a screening method but also for the characterization of the protein-fragment interactions. The discovery of an inhibitor against this enzyme would allow to better understand its function. Next, methodological aspects of the FBDD method were addressed : Do fragments conserve their binding site, binding efficiency and mode of interaction upon optimization? Can the fragments display specificity towards a given target? Towards a given binding site? These issues, rarely studied, are yet essential to the understanding of the behavior of fragment molecules, and will be addressed firstly by defragmentating several Bcl-xL inhibitors into fragments and studying their behavior towards the protein in terms of a_nity and binding mode, secondly by screening a set of fragments against five different proteins (human peroxiredoxin 5, human serum albumin and three homologous proteins of the Bcl-2 family of proteins). More generally, this PhD project aims at studying less characterized aspects of the fragment methodology and proposing answers to better understand the behavior of fragment molecules towards their targets, both in the initial screening step and then during their optimization

Pour garantir au consommateur des aliments sûrs, l'emploi d'anabolisants chez les animaux de production est prohibée au sein de l'Union Européenne depuis la fin des années 1980. Bien que performantes, les méthodes de contrôle classiques ciblées font face à de nouveaux défis auxquels des stratégies alternatives (non ciblées),visant à identifier des biomarqueurs métaboliques caractéristiques de l'effet associé à ces pratiques, offrent des solutions innovantes. Le lipidome en particulier constitue une fraction d'intérêt pour l'étude des effets liés aux agents de répartition. La Spectrométrie de Masse (SdM) et la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) sont alors classiquement utilisées, indépendamment. Ce travail propose d'évaluer leur combinaison, bénéficiant des niveaux d'information différents associés, et les conséquences en termes de gain de prédiction ou d'identification des biomarqueurs. Comme modèle d'étude, des échantillons sanguins provenant d'animaux traités avec un agent de répartition connu pour perturber les profils lipidiques,ont été caractérisés. L'analyse du lipidome sérique par SdM a impliqué trois plateformes offrant des angles de vue différents afin de fournir une couverture étendue; l'étude de leur cohérence et complémentarité constituant l'un des objectifs de cette thèse. En parallèle, l'analyse par RMN a requis le développement d'une procédure complète, de l'optimisation des conditions de préparation d'échantillon aux paramètres d'acquisition, incluant des approches de RMN 2D rapides récentes. Enfin, le verrou associé à l'analyse des données issues des différentes sources a permis d'évaluer des approches statistiques innovantes, notamment multibloc. / Ln order to ensure safe food products for the consumer, the use of growth promoters in livestock farming has been prohibited in European Union since the end of the 80s. Although efficient, the conventional targeted control methods face new challenges to which alternative strategies (untargeted), aiming at identifying metabolic biomarkers characteristic of the effects induced by such practices, provide innovative solutions. In particular, the lipidome is an area of interest to investigate the effects associated with repartition agents. Mass Spectrometry (MS) and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) are then classically used independently. This PhD work intends to evaluate their combination benefiting from the different levels of associated information and the consequences in terms of enhanced prediction or biomarker identification. As a study model, blood samples from animals treated with a repartition agent known to disrupt lipid profiles were characterized. The investigation of the serum lipidome with MS involved three distinct platforms providing different outlooks in order ta generate extended coverage; the study of their consistency and complementarity constituting one of the objectives of this PhD. In parallel, the analysis with NMR prompted the development of a complete workflow, from the optimization of the sample preparation conditions to acquisition parameters -including recent fast 2D NMR approaches. Finally, the challenge associated with the analysis of data from multiple sources allowed ta evaluate innovative statistical approaches such as multiblock analysis.

Actuellement, une voie de développement de formulations médicamenteuses novatrices passe par la vectorisation de principes actifs connus dans des nanoparticules. Des matériaux hybrides sont ainsi formés, possédant de nouvelles propriétés liées au nano-confinement. Les travaux ici menés s’appuient sur la sensibilité de la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du solide aux phénomènes prenant place aux échelles moléculaires, pour effectuer une analyse structurelle et dynamique de deux vecteurs. Le premier, hydrophile, est une matrice nanoporeuse de silice sol-gel, dans laquelle sont confinés des complexes de nitroprussiate de sodium isolés. À partir de mesures de relaxation de spin et d’anisotropie de déplacement chimique, différents régimes de dynamique moléculaire sont mis en évidence. Ils sont modulés par la présence de molécules de solvant résiduelles (H2O). Des gammes de température et d’hydratation sont identifiées, pour lesquelles le complexe reste associé malgré un état ‘‘pseudo-liquide’’. Dans la condition limite d’absence d’eau, la restriction du mouvement des complexes confinés est élucidée en caractérisant les interactions dipolaires hôtes / invités. Le second système allie la double vectorisation de la curcumine hydrophobe dans des nanoparticules de lipides solides encapsulées dans une matrice de silice (SBA-15). Une stratégie d’étude conjointe par RMN du solide et par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) est mise en place. Les résultats montrent que d’autres facteurs que la compartimentalisation (polymorphisme, dynamique moléculaire des composés hôtes) doivent également être pris en compte pour la compréhension des propriétés de ces matériaux très hétérogènes. Malgré le recours à une instrumentation RMN de dernière génération (spectromètre 1GHz, sonde MAS 1.3mm), la présence de principe actif est observée uniquement dans les compartiments de tensioactif. Ces résultats permettent d’émettre de nouvelles hypothèses sur la distribution du principe actif, tout en montrant les limites de l’approche RMN basée uniquement sur l’étude des noyaux 1H. / Nowadays, a way of developing novel medicinal compounds focuses on confinement of known active molecules inside nanoparticles. Therefore, hybrid materials emerge, exhibiting new properties related to nano-confinement. This work relies on the sensibility of solid-state Nuclear Magnetic Resonance (SS-NMR) towards molecular scale phenomena in order to perform structural and dynamical analysis of two delivery systems. They are modulated by the influence of residual solvent molecules (H2O). Temperature and hydration ranges are identified, for which the complex stays associated, although it is in a liquid-like state. Toward the limit of water absence, movement restrictions of the confined complexes are elucidated by characterizing dipolar host / guest interactions. The second system combines a double vectorization of hydrophobic curcumin molecules inside solid lipid nanoparticles, encapsulated inside a silica matrix (SBA-15). A joint SS-NMR and Differential Scanning Calorimetry (DSC) characterization strategy is put in place. The results show that other factors than compartmentalization (polymorphism, molecular dynamics of host compounds) should also be taken into account to understand the properties of these very heterogeneous materials. Despite resorting to the latest NMR instrumentation (1GHz spectrometer, 1.3mm MAS probehead), presence of the active ingredient is only detected inside the surfactant compartment. These results allow making new assumptions for the distribution of curcumin inside the material while showing the limits of an NMR approach relying solely on the study of 1H nuclei.

A cascade of metabolomic studies have been developed in the recent decade. The application of metabolomics in the clinical field has been shown to be promising since even subtle physiological changes can be revealed by a metabolomic study which determines variations in the metabolome.Personalized clinical care is currently proposed for almost all the diseases, however, it is still difficultto be executed for the scarce of clinical biomarkers. This thesis work concerns the applications of both ¹H NMR-based and MS-based metabolomics in the determination of potential serumbiomarkers which help to improve personalized diagnosis and prognosis. It is composed by twoprincipal parts. The first part of the work aims to find out metabolite biomarkers predicting themortality of septic shock before clinical intervention and first 12 hours after hospitalization using NMR-based and LC-MS-based metabolomic methods respectively. The goal of the second part of the work is to seek potential biomarkers predicting the recurrence of HCC before and after RFA treatment. Our findings not only show that both the two applied techniques were useful for the discovery of novel clinical biomarkers, but also show that the two techniques are complementary / De nombreuses études métabolomiques a été développée au cours de la dernière dizaine année.L'application de la métabolomique dans le traitement clinique s'est révélée prometteuse puisque même des faibles modifications physiologiques peuvent être révélées par une étude métabolomique. Des soins cliniques personnalisés sont actuellement proposés pour presque toutes les maladies, mais il est encore difficile de les réaliser à cause du manque de biomarqueurs cliniques. Ce travail de thèse a pour le but de la détermination de biomarqueurs cliniques par la spectroscopie RMN et par la spectrométrie de masse. Il est composé de deux parties : la première partie du travail vise à déterminer les biomarqueurs des métabolites prédisant la mortalité du choc septique avant l'intervention clinique et les 12 premières heures après l'hospitalisation en utilisant respectivement des méthodes métaboliques basées sur la RMN et la LC-MS. L'objectif de la deuxième partie du travail est de rechercher des biomarqueurs potentiels prédisant la récidive du CHC avant et après le traitement RFA. Nos résultats montrent non seulement que les deux techniques appliquées ont été utiles pour la découverte de nouveaux biomarqueurs cliniques, maismontrent également que les deux techniques sont complémentaires.