Le Design computationnel de protéines, en anglais « Computational Protein Design » (CPD), est un champ derecherche récent qui vise à fournir des outils de prédiction pour compléter l'ingénierie des protéines. En effet,outre la compréhension théorique des propriétés physico-chimiques fondamentales et fonctionnelles desprotéines, l’ingénierie des protéines a d’importantes applications dans un large éventail de domaines, y comprisdans la biomédecine, la biotechnologie, la nanobiotechnologie et la conception de composés respectueux del’environnement. Le CPD cherche ainsi à accélérer le design de protéines dotées des propriétés désirées enpermettant le traitement d’espaces de séquences de large taille tout en limitant les coûts financier et humain auniveau expérimental.Pour atteindre cet objectif, le CPD requière trois ingrédients conçus de manière appropriée: 1) une modélisationréaliste du système à remodeler; 2) une définition précise des fonctions objectives permettant de caractériser lafonction biochimique ou la propriété physico-chimique cible; 3) et enfin des méthodes d'optimisation efficacespour gérer de grandes tailles de combinatoire.Dans cette thèse, nous avons abordé le CPD avec une attention particulière portée sur l’optimisationcombinatoire. Dans une première série d'études, nous avons appliqué pour la première fois les méthodesd'optimisation de réseaux de fonctions de coût à la résolution de problèmes de CPD. Nous avons constaté qu’encomparaison des autres méthodes existantes, nos approches apportent une accélération du temps de calcul parplusieurs ordres de grandeur sur un large éventail de cas réels de CPD comprenant le design de la stabilité deprotéines ainsi que de complexes protéine-protéine et protéine-ligand. Un critère pour définir l'espace demutations des résidus a également été introduit afin de biaiser les séquences vers celles attendues par uneévolution naturelle en prenant en compte des propriétés structurales des acides aminés. Les méthodesdéveloppées ont été intégrées dans un logiciel dédié au CPD afin de les rendre plus facilement accessibles à lacommunauté scientifique. / Computational Protein Design (CPD) is a very young research field which aims at providing predictive tools to complementprotein engineering. Indeed, in addition to the theoretical understanding of fundamental properties and function of proteins,protein engineering has important applications in a broad range of fields, including biomedical applications, biotechnology,nanobiotechnology and the design of green reagents. CPD seeks at accelerating the design of proteins with wanted propertiesby enabling the exploration of larger sequence space while limiting the financial and human costs at experimental level.To succeed this endeavor, CPD requires three ingredients to be appropriately conceived: 1) a realistic modeling of the designsystem; 2) an accurate definition of objective functions for the target biochemical function or physico-chemical property; 3)and finally an efficient optimization framework to handle large combinatorial sizes.In this thesis, we addressed CPD problems with a special focus on combinatorial optimization. In a first series of studies, weapplied for the first time the Cost Function Network optimization framework to solve CPD problems and found that incomparison to other existing methods, it brings several orders of magnitude speedup on a wide range of real CPD instancesthat include the stability design of proteins, protein-protein and protein-ligand complexes. A tailored criterion to define themutation space of residues was also introduced in order to constrain output sequences to those expected by natural evolutionthrough the integration of some structural properties of amino acids in the protein environment. The developed methods werefinally integrated into a CPD-dedicated software in order to facilitate its accessibility to the scientific community.

Un des objectifs de la restauration structurale, sujet de cette thèse, est de mettre en évidence les défauts d'interprétation ou les zones potentiellement fracturées. L'extension de cette technique en volume nécessite la définition a priori des propriétés des matériaux utilisés, notamment lorsque ces propriétés sont définies à une échelle fine. Une première partie, ce travail propose une méthode de mise à l'échelle des propriétés mécaniques utilisées pour les calculs de restauration en volume. La principale hypothèse repose sur la loi de comportement utilisée pour les matériaux définis à l'échelle grossière, supposés isotropiques transverses élastiques. Le calcul des propriétés équivalentes se fait par identification, après simulation par Éléments Finis. Cette technique a l'avantage d'assurer la conservation de l'énergie pour le même type de chargement. Dans une dernière partie, ce travail traite la gestion de la tectonique salifère lors de la restauration structurale. Les diapirs de sel présentent des topologies, des rhéologies, et des séquences de dépôt très caractéristiques. Ce mémoire présente une méthodologie de restauration multi-cartes, dont la prise en compte des relations inter-horizons est respectée dans les séquences halocinétiques. Une application de cette méthode est présentée sur le bassin de La Popa (Mexique) où les différentes interprétations réalisées au travers de leurs restaurations sont comparées / Structural restoration of geological models is undertaken to evaluate the geometrical and geological coherency of an interpretation. It can be used to determine deformation rates in different tectonic regimes. In addition, this technique has been used to evaluate high strain zones, and thus, potential fractured zones. Structural restoration attempts to reverse the effects of deformation history to an assumed initial pre-deformation state. Volumetric restoration techniques generally employ entirely continuum mechanic methods. The continuum mechanic model behaviors are dependent on the definition of the materials for which it is imposed reversibility by using elasticity behavior laws. This property is chosen based upon the predominant rock type in the fault block, generally at small scales. To overcome this issue, a methodology to upscale elastic isotropic materials has been implemented by treating upscaled materials as elastic transversely isotropic materials. This insures energy conservation for the same types of loading. Another focus of this work has been the management of salt tectonics in restoration procedures. A multi-surfaces restoration methodology has been developped based on the conservation of apparent thicknesses between stratigraphic layers and an iso-parametric restoration. This technique avoids the dependence of the volumetric restoration on a material model, while properly treating the restoration of unconformities and halokinetic sequences that characterize the flanks of salt structures. This technique has been tested on a field data set over a salt-withdrawal basin in the La Popa Basin (northeastern Mexico)

Les objectifs de ce travail de thèse concernent l'étude du comportement structurale et magnétique de poudres constituées de nanoparticules de maghémite (γ-Fe2O3) de taille et de morphologie contrôlées (4 ± 1 nm), obtenues par coprécipitation de sels métalliques puis dispersées avec différentes concentrations dans une matrice de silice par voie sol-gel. La première partie de nos travaux a consisté à étudier la stabilité structurale des nanoparticules par irradiation laser puis en fonction de la température de traitement afin de contrôler les transitions de phase maghémite γ-Fe2O3 vers l’hématite α-Fe2O3 et/ou vers la phase Epsilon. La deuxième partie du travail a concerné l'étude des propriétés magnétiques des nanocomposites en fonction de la concentration massique en nanoparticules. L'objectif a été de caractériser la nature des interactions magnétiques entre les nanoparticules. / The objectives of this thesis concern the study of structural and magnetic behavior of powders consisting of nanoparticles of maghemite (γ-Fe2O3) of controlled size and morphology (4 ± 1 nm) obtained by coprecipitation of metal salts and then dispersed with different concentrations in a silica matrix by sol-gel process. The first part of our work was to study the structural stability of the nanoparticles by laser irradiation and depending on the temperature of treatment to control the phase transition to maghemite γ-Fe2O3 into hematite α-Fe2O3 and Epsilon. The second part of the work concerned the study of magnetic properties of nanocomposites based on the mass concentration of nanoparticles. The objective was to characterize the nature of interactions between magnetic nanoparticles.

Mon travail dans la chaîne du Zagros (Iran) a été double. D'une part, d'après des évidences de terrain dans la "Crush Zone" de Kermanshah, j'ai pu décrire des "Carbonates allochtones" (pré-rift) "Crétacé-moyens" et des sédiments pélagiques liasiques (syn-à post-rift), tous deux exposés sur du manteau serpentinisé. Ceci nous a conduit à proposer l'existence de manteau exhumé le long de failles de détachement dans ce domaine, au moins pendant la phase tardive de rifting, et très probablement un renouvellement de ce processus plusieurs fois au cours de l'histoire de la Téthys. Ceci induit une nouvelle compréhension de la géométrie initiale de la paléo-marge Arabe et des relations structuralles actuelles dans ce domaine. Dans ce schéma, la plate-forme Bisotoun était initialement situé entre le bassin sub-océanique sur manteau exhumé d'Harsin (au sud-ouest) et la Néo-Téthys (au nord-est). D'autre part, j'ai modélisé l'évolution cinématique conduisant à la formation de la ZFTB, à partir de la quantification des mouvements verticaux basée sur la thermochronologie détritiques basse température [AFTA et (U-Th) / He sur apatite et de zircon] et la construction de coupes équilibrées. La construction de deux principaux transects régionaux à l'échelle crustale dans le Lurestan et le Zagros Central, basé sur une description détaillée du style structural, a notamment permis de souligner l'absence probable du décollement basal régional "Hormuz" sous le Lurestan, la présence d'un duplex sédimentaires sous la structure du Mongasht dans le Zagros central et l'existence probable de grabens crustaux inversés à l'avant de la chaîne. La combinaison d'un modèle cinématique forward basé sur des contraintes géométriques et des méthodes thermochronologiques a permis de proposer une propagation vers l'avant de l'exhumation au sein de la marge Arabe entre 14 et 2 Ma. Cette chronologie a finalement été étendu aux régions voisines du Fars et du Kurdistan irakien, sur la base de la modification de deux autres section, apportant ainsi un nouvel aperçu de l'évolution régionale du Zagros. / My work in the Zagros belt (Iran) has been twofold. On the one hand, based on field evidence cropping out in the Kermanshah Crush Zone, I described “Mid-Cretaceous” carbonate “extensional allochthons” (pre-rift) and Liassic pelagic sediments (syn- to post-rift), both exposed above serpentinised mantle. This led us to propose the occurrence of mantle exhumation along detachment faults in this area, at least during the late stage of rifting, and most likely a renewal of this process several times during the history of the Tethys. This induced a new understanding of the initial geometry of the Arabian paleo-margin and of the current structural relationships in this area. In this view, the Bisotoun platform was initially located between the Harsin mantlefloored sub-oceanic-basin (to the south-west) and the Neo-Tethys (to the north-east). On the other hand, I modeled the kinematic evolution leading to the formation of the Zagros Fold-Thrust Belt (ZFTB), based on the quantification of the vertical movements with detrital low temperature thermochronology [AFT and (U-Th)/He on apatite and zircon] and section balancing. The construction of two main regional crustal-scale cross-sections in the Lurestan and the Central Zagros, based on a detailed description of the structural style, has notably permitted to emphasize the possible absence of the regional basal Hormuz décollement under the Lurestan, the presence of a sedimentary duplex under the Mongasht structure in the Central Zagros and the probable existence of inverted crustal grabens at the front of the belt. The combination of a geometric forward kinematic model and thermochronological methods has permitted to propose a forward propagation of the exhumation of the Arabian margin from 14 to 2 Ma. This chronology has finally been extended to the neighboring regions of the Fars and of the Iraqi Kurdistan, on the base of the modification of two other cross-sections, thus bringing a new regional overview of the Zagros evolution.

Cette recherche s’inscrit dans le cadre de la surveillance structurale des enceintes de confinement des centrales nucléaires qu’EDF exploite. L’objectif est de déterminer comment la connaissance de la teneur en eau du béton de ces ouvrages pourrait améliorer les prédictions de leur comportement mécanique, qui sont régulièrement réalisées dans le cadre de la démonstration de sûreté des installations.Dans un premier temps, nous avons étudié comment les incertitudes de mesure d’auscultation se propageaient dans les modèles pour quantifier l’information apportée par la mesure de teneur en eau. Nous avons également considéré les effets de ces incertitudes sur les extrapolations en fin de vie de l’ouvrage. Dans un second temps, nous avons proposé un modèle de surveillance des déformations différées comprenant la teneur en eau comme variable explicative et fondé sur une dépendance linéaire avec les déformations. Cette approche a été validée grâce aux données issues de la maquette VeRCoRs.Nous avons voulu ensuite estimer plus précisément l’exigence métrologique pour qualifier les chaines de mesure in situ de teneur en eau des bétons. Pour cela, nous avons utilisé la méthode de Monte Carlo pour simuler la propagation des incertitudes de mesures, en comparant les performances du modèle que nous proposions avec celles d’une approche d’ingénierie plus classique. / This research takes place within the framework of the structural monitoring of nuclear power plant containments that EDF operates. Our goal is to determine how the knowledge of the concrete water content these structures could improve the predictions of their mechanical behavior, which are periodically undertaken as part of the safety case for the facilities.As a first step, we have studied monitoring data uncertainties propagation through the models, in order to quantify the information brought by the water content measurement. We have also addressed the effects of these uncertainties on the extrapolations to the end of the structure lifetime. In a second phase, we have proposed a delayed deformation monitoring model including water content as an explanatory variable and based on a linear dependence with strains. This approach has been validated with data from the VeRCoRs mock up.Then, we sought to estimate more accurately the metrological requirement to qualify in-situ measurement systems for concrete water content. To do this, we used the Monte Carlo method to simulate the propagation of measurement uncertainties, by comparing the performances of the model that we proposed with those of a more conventional engineering approach.

Les lectines sont des protéines ubiquitaires qui se lient spécifiquement et de manière réversible aux sucres sans les modifier. Elles peuvent déchiffrer le glycocode : les informations stockées dans les sucres à la surface d'une cellule. Les lectines sont impliquées dans de nombreux processus biologiques tels que la cohésion cellulaire, le développement, la signalisation cellulaire, la défense ou les infections microbiennes. Elles peuvent présenter des propriétés exploitables, par exemple antiprolifératives, antivirales ou antitumorales et sont des outils recherchés en glycobiologie. Le règne fongique a suscité un large intérêt ces dernières années, car il est une source prometteuse et largement inexplorée pour les lectines ayant de nouvelles spécificités et/ou activités. Les données structurales sont encore limitées pour les lectines fongiques et ce projet vise notamment à combler cette lacune en étudiant deux familles de lectines reconnaissant des marqueurs glycosidiques associés aux cancers. Via une approche multidisciplinaire, l'interaction de ces lectines avec leur ligand au niveau atomique a été disséquée et des modifications ont été réalisées pour les rendre plus spécifiques pour un motif particulier. Les lectines recombinantes sauvages ou mutées ont été exprimées dans Escherichia coli puis purifiées par des méthodes chromatographiques classiques. La spécificité et l'affinité ont été déterminées par différentes techniques telles que l'hémagglutination, les puces à sucre et la microcalorimétrie de titration. La caractérisation structurale a été effectuée par cristallographie aux rayons X et a permis de définir les déterminants de la protéine et du ligand indispensables à l'interaction et d'aider à la conception et à l'évaluation structurale de mutants. Enfin, des analyses sur cellules et tissus cancéreux ont confirmé leur potentiel en tant qu’outils de marquage, ce qui permet d’envisager leur utilisation pour des applications biomédicales ou biotechnologiques. / Lectins are ubiquitous proteins which bind specifically and reversibly carbohydrates without modifying them. They can decipher the glycocode: information stored in carbohydrates found at the surface of any cell. Lectins are involved in many biological processes such as cell cohesion, development, cell signaling, defense or microbial infections. They can present exploitable properties such as antiproliferative, antiviral or antitumor and are interesting tools in glycobiology. The fungal kingdom has attracted wide interest in the recent years since it is a promising and largely unexplored source for lectins for novel specificity and activities. Structural data are still limited for fungal lectins and this project aims to fill this gap of knowledge whilst studying new lectins specific for two glycosidic cancer markers. Via a multidisciplinary approach, we dissected the interaction of those lectins with their ligand at the atomic level or modified them to optimized their specificity or affinity. Recombinant wild-type and mutated lectins were expressed in Escherichia coli and then purified by classical chromatography methods. The specificity and affinity were determined by different techniques such as hemagglutination, glycan arrays, and microcalorimetry. Finally, structural characterization was performed by X‐ray crystallography in order to localize the sugar binding site, to obtain the specific protein and ligand determinants necessary for the interaction and to help for the design and structural evaluation of mutants. Finally, analysis on cancer cells and tissues confirmed their potential as labelling tools thereafter for biomedical or biotechnological applications.

Dans la cellule, les protéines évoluent dans un environnement très dense et interagissent ainsi avec un grand nombre de partenaires spécifiques et non-spécifiques qui entrent en compétition. L’objectif de ma thèse est de caractériser les propriétés physiques et évolutives des surfaces protéiques pour comprendre comment la pression de sélection s’exerce sur les protéines, façonnant leurs interactions et régulant ainsi cette sévère compétition.Pour cela, j’ai développé une méthodologie permettant de caractériser la propension des protéines à interagir avec les protéines de leur environnement, par des approches de docking. La cartographie moléculaire permettant la visualisation et la comparaison des propriétés de la surface des protéines, j’ai donc mis en place un nouveau cadre théorique basé sur une représentation des paysages énergétiques d'interaction par des cartes d'énergies. Ces cartes (en deux dimensions) reflètent de manière synthétique la propension des surfaces protéiques à engager des interactions avec d’autres protéines. Elles sont donc d’un grand intérêt pratique pour déterminer les régions des surfaces protéiques les plus enclines à engager des interactions avec d’autres molécules.Ce nouveau cadre théorique a permis de montrer que les surfaces des protéines comprennent des régions de différents niveaux d'énergies de liaison (régions chaudes, intermédiaires et froides pour les régions d'interaction favorables, intermédiaires et défavorables respectivement).Une partie importante de la thèse a consisté à caractériser les propriétés physico-chimiques et évolutives de ces différentes régions. L'autre partie a consisté à appliquer cette méthode sur plusieurs systèmes : complexes homomériques, protéines du cytosol de S. cerevisiae, familles d'interologues. Ce travail ouvre la voie à un grand nombre d'applications en bioinformatique structurale, telles que la prédiction de sites de liaison, l’annotation fonctionnelle ou encore le design de nouvelles interactions.En conclusion, la stratégie mise en place lors de ma thèse permet d’explorer la propension d’une protéine à interagir avec des centaines de partenaires d'intérêts, et donc d'investiguer le comportement d’une protéine dans un environnement cellulaire spécifique. Cela va donc au-delà de l'utilisation classique du docking "binaire" puisque notre stratégie fournit une vision systémique des interactions protéiques à l’échelle des "résidus". / In the crowded cell, proteins interact with their functional partners, but also with a large number of non-functional partners that compete with the functional ones. The goal of this thesis is to characterize the physical properties and the evolution of protein surfaces in order to understand how selection pressure exerts on proteins, shaping their interactions and regulating this severe competition.To do this I developed a framework based on docking calculations to characterize the propensity of protein surfaces to interact with other proteins. Molecular cartography enables the visualization and the comparison of surface properties of proteins. I implemented a new theoretical framework based on the representation of interaction energy landscapes by 2-D energy maps. These maps reflect in a synthetic manner the propensity of the surface of proteins to interact with other proteins. These maps are useful from a practical point view for determining the regions of protein’s surface that are more prone to interact with other proteins. Our new theoretical framework enabled to show that the surface of proteins harbor regions with different levels of propensity to interact with other proteins (hot regions, intermediate and cold regions to favorable, intermediate and unfavorable regions respectively).A large part of this thesis work consisted in characterizing the physico-chemical properties and the evolution of these regions. The other part of this thesis work consisted in applying this methodology on several study systems: homomeric complexes, cytosolic proteins from S. cerevisiae, families of interologs. This work opens the way to numerous practical applications in structural bioinformatics, such as binding site prediction, functional annotation and the design of new interactions.To conclude, the strategy implemented in this work enable the exploration of the propensity of a protein to interact with hundred of protein partners. It thus enables the investigation of the behavior of a protein in a crowded environment. This application goes beyond the classical use of protein docking as a, because our strategy provides a systemic point of view of protein interactions at an atomic resolution.

L’Adénylate cyclase (CyaA), produite par B. pertussis, agent responsable de la coqueluche, est un des principaux facteurs de virulence de la bactérie. La toxine est une grande protéine multi-domaine qui est synthétisée comme un précurseur inactif, proCyaA. Ce précurseur est converti dans la forme active après une acylation spécifique. Après la sécrétion, la toxine envahir les cellules eucaryotes par un mécanisme unique qui implique la translocation de son domaine catalytique dans le cytosol des cellules eucaryotiques. Cette mécanisme est toujours pas clair et nombreuses questions restent ouvertes. Dans la présente étude, nous avons étudié les propriétés structurales et fonctionnelles des différentes espèces de (pro)CyaA en solution et inséré dans la membrane. Nous avons observé que le repliement de (pro)CyaA dans la forme monomérique dépend de la présence de calcium et de l'acylation post-traductionnelle. En outre, nous avons observé que la présence du calcium améliore fortement la stabilité de la protéine. De plus, nous avons identifié un segment hydrophobe dans CyaA, mais pas dans proCyaA, qui intervient dans les premières étapes du repliement de la protéine. L'analyse macroscopique a révélé que CyaA est plus stable et compacte par rapport à proCyaA. Nous avons aussi observé que les deux toxines sont capables de perméabiliser les membranes in vitro, mais que seulement la toxine monomérique et acyle est capable d'exercer des activités de membranes efficaces dans la cellule (hémolyse, translocation de AC et production de cAMP). Nous proposons que la toxine monomérique est la seul espèce compétent et fonctionnel. / Adenylate cyclase is one of the major virulence factors produced by Bordetella pertussis, the causative agent of whopping cough. The toxin is a huge multi-domain protein synthesized as an inactive precursor, proCyaA, which is converted into the active form upon a specific acylation. Once secreted across the bacterial cell envelope, the toxin invades eukaryotic cells through a unique mechanism that involves the direct translocation of its catalytic domain inside the cytosol of the target cells. This mechanism is still not clear and many questions remain open. In the present study we investigated the structural and functional properties of various (pro)CyaA species in solution and upon membrane-insertion. We found that the (re)folding of CyaA into a monomeric form critically depend upon the presence of calcium and the post-translational acylation. We observed that calcium binding strongly improves the stability of the protein. Moreover we identified a hydrophobic segment in CyaA, but not in proCyaA, which is involved in the early stages of the refolding process. Macroscopic analysis showed that CyaA is more stable and compact as compared to proCyaA. We also observed that both toxins are able to permeabilize membranes in vitro, although only the monomeric and acylated toxin is able to exert efficient membrane activities in cellula (i.e., hemolysis, AC translocation and cAMP production). We propose that the monomeric species is the functional competent and active state and that the acyl chains play not only a structural role but are also essential for the functional activities of the toxin.

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

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