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

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

Afin de lever le mystère centenaire qui entoure l'origine du changement de volume associé au dépliement des protéines globulaires, nous avons constitué une collection de 10 mutants du variant hyperstable de la SNase, ∆+PHS. Chacune de ces mutations a été conçue pour créer une nouvelle cavité ou agrandir une cavité existante au sein de la protéine. Dans un premier temps, nous avons analysé comment l'environnement structural local conditionne l'adaptation à la mutation. Les expériences de fluorescence sous haute pression ont montré un accroissement systématique de la différence de volume entre les états replié et déplié pour les 10 variants par rapport à ∆+PHS. Ce résultat majeur, qui s'ajoute à une étude récente démontrant que les effets d'hydratation ne contribuent pas de manière significative au changement de volume, démontre sans ambiguïté que la différence de volume entre les états replié et déplié est principalement due à la présence de cavités internes dans la structure native des protéines. Les mesures par RMN des changements de volume ont permis d'établir une cartographie des effets de la pression à l'échelle du résidu et d'identifier les intermédiaires de repliement peuplant le paysage énergétique. En analysant les cinétiques de dépliement, nous avons finalement pu caractériser les conséquences de ces mutations sur les états de transitions de la SNase. / To solve the century-old question of the origin of the volume change upon unfolding for globular proteins, we built up a collection of 10 mutants of the hyperstable variant of SNase, ∆+PHS. Each of these mutations was designed to create a cavity or to enlarge a naturally occurring cavity in the protein core. We first analyzed how the local structural environment determines the adaptation to the mutation. The high-pressure fluorescence experiments showed a systematic increase of the volume difference between the folded and unfolded states for the 10 variants, compared to ∆+PHS. This major result, in addition to a recent study demonstrating that the hydration effects do not provide any significant contribution to the volume changes, clearly demonstrates that the volume difference between the folded and unfolded states is predominantly due to the presence of internal cavities in the native structure. NMR measurements of the volume change allowed a mapping of the pressure effects on a residue scale and the identification of the folding intermediates populating the free-energy landscape. By analyzing the unfolding kinetics, we finally characterized the consequences of these mutations on the transition state ensembles of SNase.

Les stilbénoïdes, sont des composés phénoliques majoritairement issus du règne végétal. La Vigne par l’intermédiaire du vin et du raisin est la principale source alimentaire de stilbènes. La mise en évidence de leur rôle dans les mécanismes de défense des plantes et leurs activités biologiques, y compris sur l’Homme, en font un sujet d’étude en plein essor. L’un des objectifs de cette thèse a été de développer un ensemble de stratégies à la fois analytiques et préparatives utilisant la Chromatographie de Partage Centrifuge (CPC) pour l’étude et l’obtention de ces molécules. Dans un premier temps, nous avons développé une approche de couplage entre cette technique et un spectromètre à Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) par l’intermédiaire d’un système d’Extraction sur Phase Solide automatisé (EPS). Dans un second temps, nous avons mis au point un ensemble de méthodes et d’approches séparatives permettant d’obtenir ces composés. Nous avons, grâce au développement d’une méthodologie de dosage de solvants par spectrométrie RMN, étudié une gamme dérivée d’une gamme très utilisée en CPC, l’ARIZONA. Nous avons montré que ces systèmes dérivés, peuvent être utilisés au travers de stratégies d’élution telles que des pas et des gradients afin d’optimiser les séparations. L’une des finalités de notre travail est d’offrir des méthodes permettant d’obtenir ces composés dans des quantités et des qualités suffisantes pour pouvoir constituer une chimiothèque interne au laboratoire pouvant prétendre à s’intégrer dans la Chimiothèque Nationale. Une dernière partie fait état du développement d’outils informatiques, dont la création d’une base de donnée Libre pour les chercheurs en Substances Naturelles. / Stilbenoids are phenolic compounds mostly found in the vegetable kingdom. Vine through wine and grape is the main source of stilbenes in the human diet. The involvement of these compounds in plants resistance mechanisms and their diverse biological activities, including on the human health are continuously highlighted. Making this topic a fast-growing one. One of the objectives of this thesis has been to develop a whole set of analytical and preparative strategies using Centrifugal Partition Chromatography (CPC) in order to study and obtain these molecules. Over a first phase, we developed a hyphenated approach between this technique and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) through an automated Solid Phase Extraction (SPE) system. Then, we developed a set of separative methods and approaches with the aim of obtaining these compounds. Then, we carried out the development of a solvent quantifications methodology using NMR spectrometry. This allowed us to study a spin-off scale of a widely-used solvent systems collection called ARIZONA. We showed that these systems are good candidates for different elution strategies using steps and gradients with the aim to optimize separations. One of our purpose was to provide methods for effective and efficient purification of these compounds. This would allow, together with a lab-scale compounds library, their integration into the Chimiothèque Nationale, a nationwide chemical library. Last part accounts for computer tools development, including the creation of a Free database system for Natural Substances researcher.

La carbonatation atmosphérique et la pénétration des ions chlorures sont les principales causes du déclenchement de la corrosion des armatures dans les bétons armés. Chacun de ses mécanismes a fait l'objet de nombreuses études dans la bibliographie. Pourtant les études prenant en compte en même temps les deux types d'agression sont rares. Le couplage des deux phénomènes existe cependant. La carbonatation intervient en effet dans tout ouvrage dès le décoffrage et il suffit que cet ouvrage soit aussi par exemple situé à proximité d'eau de mer pour que les embruns apportent des ions chlorures dans le matériau. L'objectif de cette thèse a été de quantifier les différentes phases de la matrice cimentaire et ses capacités de fixation des ions chlorures par le biais d'isothermes d'interactions pour des matériaux sains et carbonatés. Ces isothermes d'interactions obtenues notamment par la méthode des équilibres ont permis de voir que les matrices partiellement ou totalement carbonatées fixaient moins d'ions chlorures que les matrices saines. L'utilisation de moyens complémentaires d'analyses tels que l'analyse thermogravimétrique (ATG), la diffraction des rayons X (DRX) et la résonance magnétique nucléaire (RMN) a permis de mieux comprendre cette perte de fixation. Une diminution des sels de Friedel et des chlorures fixés par les C-S-H a été ainsi mise en évidence dans les matériaux carbonatés. Ces diminutions qui on été quantifiées sont attribuées à une modification sous carbonatation des phases capables de fixer les ions chlorures (phases aluminates, sulfo-aluminates et C-S-H). Des différences au niveau du réseau poreux ont été également mises en évidence par la porosimétrie par intrusion de mercure (diminution de la macroporosité et de la connectivité en général pour les matrices carbonatées par formation de CaCO3). L'objectif a été aussi de corréler toutes ces modifications observées avec les propriétés de transport des ions qui ont été obtenues par des tests de diffusion et migration des ions chlorures (et/ou sulfates) ainsi que des mesures de résistivité électrique. Les résultats expérimentaux ont montré que le coefficient de diffusion apparent est plus grand dans les matériaux carbonatés. Certaines expériences de diffusion faites en présence à la fois d'ions chlorures et sulfates ont aussi montré la concurrence de ces deux ions pour se fixer à la matrice cimentaire. Les matériaux cimentaires testés (bétons et pâtes) ont été formulés sans ou avec additions minérales (métakaolin, cendres volantes, laitier) et les propriétés de ces matériaux ont été observées à différents âges / Carbonation and chloride ingress are the main causes of reinforced concrete degradation. A lot of studies describe these two phenomena separately but only few studies state a possible coupling. However, the coupling of both phenomena exists. The corrosion of reinforcement due to chloride ions occurs more often in marine environments or in the presence of deicing salts while carbonation occurs systematically, in a more or less high degree depending on environmental conditions (humidity, temperature…). The aim of this thesis was to quantify the different phases of the cement matrix and its chloride binding by means of chloride binding isotherms for carbonated and non-carbonated cement based materials. These chloride binding isotherms, obtained by the equilibrium method, showed that the partially or totally carbonated cement matrix are bound fewer chlorides than the non carbonated ones. Complementary techniques such as the thermogravimetry (TGA), the X-rays diffraction (XRD) and the nuclear magnetic resonance (NMR) analyses were used and allowed to understand why this binding decrease occurs. A decrease of Friedel's salt and chlorides bound in the C-S-H was showed in the carbonated materials. These decreases were quantified and are due to a modification of the phases containing chloride (such as aluminates, sulfo-aluminates and C-S-H phases) during carbonation process. The porous network, was observed by mercury intrusion porosimetry (MIP), was also modified (decrease of the macroporosity and the connectivity for carbonated cement matrix due to formation of calcium carbonate). The other aim was to correlate all these modifications with the ions transport properties. Chloride diffusion and migration tests (with or without sulfates) were obtained as well as the measurements of electric resistivity. The experimental results showed that the apparent chloride diffusion coefficient is higher in the carbonated cement materials. Some diffusion tests were performed in presence of both chlorides and sulfates, which showed the competition of these two ions to bind on the cement matrix. Cement materials (concrete and cement paste) were designed without or with supplementary cementing materials (metakaolin, fly ash, slag) and the properties of these materials were followed at different curing time

Les écosystèmes méditerranéens littoraux sont soumis à divers stress environnementaux naturels (stress hydrique et halin) et anthropiques susceptibles de s'intensifier dans les prochaines décennies. Dans ce contexte, le fonctionnement des communautés microbiennes - encore très peu étudiés dans de tels milieux - était important à préciser. L'effet du stress halin sur la transformation de la matière organique dans la litière de pin d'Alep issues des calanques de Marseille a été estimé ainsi que le potentiel de biodégradation d'un polluant chronique, l'anthracène, un Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques. Différents approches in situ, ex situ et in vitro ont été utilisées en associant différentes méthodes afin de mesurer l'état fonctionnel du milieu (activités enzymatiques, respirométrie basale), la diversité fonctionnelle microbienne (Catabolic Level Physiological Profile), la biomasse microbienne et l'évolution chimique de la matière organique (RMN du solide du 13C). En mésocosmes, les laccases, induites par la présence d'anthracène, ont contribué à son oxydation et ont été séquencées par LC/MS/MS afin de déterminer les espèces fongiques à l'origine de leur synthèse. Les résultats montrent que certaines activités enzymatiques du cycle du carbone sont peu affectées par la salinité et l'apport d'anthracène. Toutefois la diversité fonctionnelle des communautés autochtones de litière de pin d'Alep issues de ces environnements est modifiée à une échelle micro-locale par l'effet marin. Par ailleurs les réponses fonctionnelles face à l'apport d'anthracène des communautés microbiennes de litières de pin d'Alep en zone continentale sont différentes de celles des zones littorales / Mediterranean coastal ecosystems are subjected to various natural and anthropogenic environmental pressures which are supposed to be enhanced because of climatic changes. Little is known about microbial community functioning in such ecosystems. Our site of study is located in the Calanques of Marseille, a hot spot of biodiversity. The effect of salinity (via sea spray exposure) on microbial communities and their ability to transform organic matter in an Aleppo pine litter have been studied as well as the potential of autochthonous microorganisms to transform anthracene used as a polycyclic aromatic hydrocarbon model. To do so, different approaches (in situ, ex situ and in vitro experimental design) were used and we combined various methods such as enzyme activities (laccase, cellulase, phosphatase, lipase), CLPP (Biolog ECO and FF plates), respirometry (basal and induced) and litter chemical characterization (solid-state 13C NMR). Laccases were induced by anthracene in mesocosms and oxidized this compound (with anthraquinone as an intermediate). These enzymes were sequenced by LC/MS/MS to determine the fungal strains responsible for their production. We also found that enzyme activities were not strongly influenced by salinity or anthracene inputs. On the other hand, functional diversity was structured at a small-spatial scale. Moreover, functional responses of microbial communities from inland areas strongly differ from those of coastal areas regarding anthracene inputs since no laccase induction was observed in inland litter.

Les thiol-disulfure oxydoréductases sont des protéines qui jouent un rôle majeur dans la cellule. Elles sont impliquées dans l'activité de nombreuses protéines cytoplasmiques, ainsi que dans la maturation et la stabilité des protéines extracytoplasmiques. Les particularités structurales conservées chez les TDORs, comme le repliement thiorédoxine et le motif CxxC, les propriétés physico-chimiques, leur environnement physiologique et leurs substrats sont autant de facteurs qui influencent la capacité de ces protéines à catalyser préférentiellement la réduction, l'oxydation, ou l'isomérisation des ponts disulfures in vivo.Je me suis intéressée aux TDORs atypiques cytoplasmiques pouvant présenter une activité thiol-oxydase ou disulfure-isomérase dans le cytoplasme des bactéries. J'ai caractérisées deux thiorédoxines atypiques, l'une provenant de l'organisme anaérobie Desulfovibrio vulgaris Hildenborough, Dtrx, et l'autre provenant de la bactérie pathogène Pseudomonas aeruginosa PAO1, PsTrx. Dtrx, possédant une séquence consensus thiol-oxydase CPHC, présente des propriétés in vitro en accord avec cette séquence. Nous avons proposé un mécanisme qui peut être appliqué de façon réversible dans le sens de la réduction et de l'oxydation des cystéines des substrats.PsTrx contient une séquence consensus CGHC dans son site actif, qui est généralement conservée chez PDI, protéine eucaryote. Les propriétés physico-chimiques, et la structure tridimensionnelle déterminées pour PsTrx par RMN, présentent des caractéristiques identiques à celles observées pour le domaine catalytique de PDI. / Thiol/disulfide oxidoreductases catalyze important redox reactions in the cell. They are implicated in the reduction of disulfide bonds in cytoplasm, and disulfide bond formation during folding of secreted proteins. All of the members of this family share the thioredoxin fold and an active site with two conserved cysteine residues that specify the biological activity of the protein in the reduction, oxidation or isomerisation of disulfide bond in vivo.In this work, I have studied atypical cytoplasmic TDORs catalyzing the oxidation or isomerisation of disulfide bond in bacteria. I have characterized two atypical thioredoxin proteins, one from the anaerobe Desulfovibrio vulgaris Hildenborough, Dtrx, and one from the pathogenic Pseudomonas aeruginosa PAO1, PsTrx.Dtrx, with the CPHC active site, presents important activities in the thiol-oxidation of proteins. We proposed a reversible mechanism for the disulfide-reduction or thiol-oxidation of substrate proteins.PsTrx presents the CGHC active site shown in the eukaryote PDI protein. Physico-chemical properties and tridimensional structure solved by NMR are the same that those of the catalytical domain of PDI.This work presents the properties of the two atypical thioredoxins, Dtrx and PsTrx. These proteins have similar functional and structural characteristics in vitro, but probably different redox functions in vivo.

La cuisson est un procédé universel de transformation de la matière première carnée en aliment. Le chauffage de la matrice musculaire conditionne diverses qualités organoleptiques, technologiques, sanitaires et nutritionnelles des viandes cuites. La cuisson étant appliquée de plus en plus fréquemment en conditions industrielles standardisées, il est pertinent de modéliser certains mécanismes clés dans le déterminisme de ces qualités afin d’optimiser le procédé. Pour cela, une démarche expérimentale originale a été mise en place fondée sur une analyse quantitative, locale, dynamique et in situ de la viande pendant la cuisson. Cette démarche ne fait pas d’hypothèse réductionniste en étudiant un échantillon intact à l’échelle de l’aliment consommé, ni d’hypothèse simplificatrice en prenant en compte les variations spatiales de la température dans l’échantillon. Elle s’appuie sur des développements originaux en imagerie par résonance magnétique nucléaire à haut champ et en traitement d’images pour cartographier la déformation et la quantité d’eau. Des modèles robustes liant température, déformation et quantité d’eau ont été obtenus pour des muscles de teneur variable en tissu conjonctif. Les résultats montrent principalement une augmentation de la déformation avec la température en plusieurs phases dont les caractéristiques dépendent de la composition du muscle, et une diminution de la quantité d’eau avec la température. Tous ces résultats sont discutés et interprétés au regard du comportement à la température des différents composants du muscle. Ce travail montre d’abord que l’imagerie dynamique, quantitative et multiparamétrique permet de décrypter des mécanismes intervenant lors de la cuisson des viandes sans établir des hypothèses réductrices lors de l’interprétation de ces phénomènes. Elle a conduit de plus, à des développements méthodologiques applicables à d’autres champs et ouvre la voie à d’autres investigations dans le domaine de l’optimisation qualitative des produits carnés transformés. / Cooking is a general process which transforms the meat raw material into food. The heating of muscle matrix influences different organoleptic, industrial, health and nutritional qualities of cooked meat. Cooking being applied more and more frequently in standardized and industrial conditions, it makes sense to model some key mechanisms which determine the latter qualities in order to optimize the process. For this purpose, an original experimental approach has been developed based on a quantitative, local, dynamic and in situ analysis of the meat during cooking. This approach is not based on any reductionist hypothesis by studying an intact sample at the scale of the consumed food, nor by the simplifying assumption of taking into account the spatial variations of temperature in the sample. It is based on original developments in nuclear magnetic resonance imaging at high-field and on image processing in order to map deformation and the water content. Robust models linking temperature, deformation and water content were obtained for muscles differing from their content in connective tissue. The results mainly show a deformation increase with the temperature in several phases whose characteristics depend on the muscle composition, and a decrease in the water content with temperature. All these results are discussed and interpreted thanks to the temperature behavior of the various muscle components. This work first shows that quantitative, multi-parametric and dynamic imaging can decipher the mechanisms involved during meat cooking, without formulating simplifying assumptions in the interpretation of these phenomena. Furthermore, it has led to methodological developments applicable to other fields and paves the way for further investigations in the field of quality optimization of processed meat products.

Le but de l'étude est de comprendre et de prédire les performances de détection en phase gazeuse des capteurs chimiques à surface de matériaux sensibles. Les travaux ont porté sur des microbalances à quartz revêtues de polysiloxanes fonctionnalisés. Des mesures à l'équilibre, en exposant ces capteurs à différentes vapeurs organiques, ont mis en évidence la sélectivité des matériaux employés. Pour rationaliser ces résultats, les étapes impliquées dans la détection ont été examinées. Des mesures par PM-IRRAS ont permis de montrer la proportionnalité de la réponse vis-à-vis de la quantité d'analyte absorbé. Des affinités en phase condensée ont été déterminées par une nouvelle méthode par RMN d’études de mélanges sans solvant. L'application de cette méthode à des composés modèles a validé le calcul de l'enthalpie de mélange par l'approche de Hansen. Celle-ci permet également d’obtenir calculer les coefficients de Hansen des matériaux sensibles avec des méthodes de contributions de groupes. Enfin, sur ces résultats, un modèle numérique a été construit pour calculer a priori la réponse d'un capteur à partir de la formule chimique des composés sensible et de l'espèce détectée. / The aim of this study is to understand and model the responses of coated chemical sensors for gas phase detection. The work exposed here focuses on quartz crystal microbalance (QCM) coated with functionalized polysiloxanes. Measurements were carried with the QCM exposed to organic vapours when equilibrium was reached. It has been shown that selectivity depends on the material used. To understand that selectivity, each step involved in the detection has been investigated. First of all, with PM-IRRAS, we verified that the frequency shift was proportional to the amount of absorbed analyte. Then, affinity in liquid phase has been determined through a new methodology by NMR. It has also been used, on model system to prove the applicability of Hansen solubility coefficient to calculate mixing free enthalpy. For polymers, those coefficients have been determined using NMR combined with group contribution methods. Based on these descriptors, a numerical model has been built to calculate a priori the performance of a sensor based on, the chemical structure of the sensitive material and of the detected compound.

Il a été montré que les organocatalyseurs donneurs ou accepteurs de liaison hydrogène permettent de promouvoir de nombreuses transformations chimiques. Dans le domaine des réactions de polymérisations organocatalysées (notamment les polymérisations par ouverture de cycle, ROP), des dérivés de thiourée, les hexafluoro-alcools, les amidines ont déjà été décrits comme catalyseurs supramoléculaires de la polymérisation des esters cycliques. Nous avons développé un nouveau système catalytique basé sur l’activation par liaison hydrogène du monomère d’une part, de l’amorceur et la chaîne en croissance d’autre part. Ce nouveau couple de catalyseurs met en jeu des dérivés du phénol ou des ammoniums (donneurs de liaisons hydrogène) associés à des amines tertiaires ou amidine (accepteurs de liaisons hydrogène). Grâce au caractère vivant de la polymérisation, les polymères créés ont une masse molaire contrôlée et une dispersité étroite. / It has been shown that hydrogen-bonding (donor or acceptor) organocatalysts can promote different chemical transformations. In organocatalysed polymerizations (including Ring opening polymerization, ROP), several H-bonding compounds such as thiourea derivatives, hexafluoro alcohols, or amidines proved to be effective in the polymerization of cyclic esters. We developed a new catalytic system based on the activation through hydrogen bond of the monomer, initiator and growing chain. These new catalysts involve phenol derivatives or ammoniums (hydrogen bond donors) associated to tertiary amines or amidine (hydrogen bond acceptors). Due to the living character of the polymerization, synthesized polyesters controlled molar masses and narrow dispersities.