Brucella est l'agent causal de la brucellose, une zoonose bactérienne répandue à l'échelle mondiale. Durant les dernières années, de nouvelles souches et espèces de Brucella (dont Brucella microti) ont été isolées de l’environnement et d’animaux sauvages. Ces souches, phylogénétiquement anciennes, sont plus acido-résistantes que les espèces classiques, plus récentes et inféodées aux animaux domestiques et à l’homme. Chez Escherichia coli, le système glutamate décarboxylase (GAD) et le système glutaminase (AR2_Q), basés respectivement sur la décarboxylation du glutamate et la déamination de la glutamine, sont les systèmes d’acido-résistance (AR) les plus efficaces. Notre équipe a démontré que le système GAD (GadB et GadC) est fonctionnel seulement dans les nouvelles souches et espèces de Brucella, et participe à la réussite de l’infection des souris par voie orale. Dans cette thèse, le rôle de nouveaux facteurs et les mécanismes moléculaires impliqués dans l’acido-résistance ont été explorés. Premièrement, nous avons montré que GlsA et GadC sont les deux protéines structurales du système AR2_Q qui, avec le système GAD, joue un rôle essentiel dans l’AR de ces nouvelles souches. De plus, chez ces mêmes souches, le système uréase intervient également dans la survie en milieu acide.Nos résultats suggèrent que les systèmes GAD, AR2_Q et uréase, en fonction de la disponibilité des substrats, pourraient contribuer à améliorer l’adaptation des nouvelles espèces dans les environnements acides naturels et/ou dans le tractus gastro-intestinal de leurs hôtes. / Brucella is the etiological agent of brucellosis, a worldwide bacterial zoonosis. In the last ten years, new and atypical strains of Brucella (among which Brucella microti) were isolated from the environment and wild hosts. These strains, of ancient origin, are considered more environmental and acid resistant than classical Brucella species, which are mostly pathogenic for livestock and humans. In Escherichia coli, the glutamate decarboxylase (GAD)-dependent system and the glutaminase (AR2_Q) system, based on the decarboxylation of glutamate and on the deamination of glutamine, respectively, are most efficient in conferring acid resistance (AR). Our team has previously demonstrated that in Brucella the GAD system (GadB and GadC) is functional only in new/atypical strains and contributes to murine infection by oral route. In this thesis, novel molecular mechanisms and factors involved in specific AR of new/atypical Brucella species were explored. Firstly, we have shown that in these strains, GlsA and GadC are the two structural proteins of the AR2_Q system, which, in concert with the GAD system, plays an essential role in AR. In addition, the functionality and role of the urease system in AR was also demonstrated in these strains.Our results suggest that the GAD, AR2_Q and urease systems may participate in a better adaptation of new Brucella species to certain natural acidic habitats and/or to the gastrointestinal tract of their hosts, depending on substrate availability.

Les biocapteurs constituent un défi pour le diagnostic médical, la surveillance des eaux naturelles ...Dans ce travail, nous avons défini les conditions de précipitation de la structure Hôte par hydrolyse thermique de l'urée. Une nouvelle voie de synthèse d'HDL a été mise au point, utilisant la décomposition catalytique de l'urée par l'uréase. Une étude comparative des procédés d'immobilisation a permis de maîtriser la formation du matériau hybride et de contrôler la quantité d'uréase immobilisée, dont l'activité catalytique a été étudiée. L'élaboration des biocapteurs sous forme de multicouches nanostructurées HDL-Uréase a été réalisée par la technique Langmuir-Blodgett, et leur réponse a été évaluée. Cette première étude sur le confinement de protéines sur des matrices HDL, depuis l'élaboration de la matrice hôte jusqu'à la réalisation du biocapteur fonctionnel, ouvre des perspectives sur l'immobilisation d'autres enzymes et l'optimisation de films hybrides à propriétés biologiques

L'objectif de cette étude consiste à développer des bio-architectures à base de nanotubes de carbone mono-feuillet à visées électroanalytiques. Pour ce faire, différentes méthodes de fonctionnalisation de nanotubes de carbone ont été proposées à savoir la fonctionnalisation en solution, par trempage et par électropolymérisation en se servant des interactions π entre les nanotubes de carbone et des molécules π-conjugués (le pyrrole-biotine, le pyrène-biotine et le pyrèneadamantane). Les matrices utilisées pour la conception des biocapteurs sont basées sur les systèmes d'affinité entre l'avidine et la biotine, et entre l'adamantane et la β- cyclodextrine. La comparaison des performances des différents biocapteurs a permis de déterminer la méthode la plus adéquate pour la fonctionnalisation des nanotubes de carbone. Cette dernière consiste à former une monocouche de monomères par simple trempage puis de la renforcer par électropolymérisation oxydative dans une solution exempte de monomère. Cette stabilisation de la couche adsorbée préserve une excellente accessibilité à la surface de l'électrode sous-jacente. Les surfaces fonctionnelles qui en résultent ont été caractérisées par des méthodes physico-chimiques d'analyse.

La première partie de ce travail concerne le greffage d'enzymes sur l'oxyde de nickel NiO et les oxydes de silicium SiO et SiO₂. Le greffage sur l'oxyde de nickel est obtenu après activation au chlorure de cyanuryle. L'enzyme test est l'uréase. Le greffage sur les oxydes de silicium est effectué en 2 étapes. Les oxydes ont d'abord été silanisés puis l'uréase et la butyrylcholinestérase sont respectivement greffées sur ces oxydes silanisés, par l'intermédiaire du glutaraldéhyde, SiO et SiO₂. Les méthodes de Lineweaver-Burk et Infra-Rouge à Transformée de Fourier sont utilisées pour l'exploitation des expériences, et la détermination des conditions optimales de travail (solvant, temps d'immobilisation,. . .). La seconde partie concerne la mise au point d'un biocapteur, basé sur une électrode en palladium/oxyde de palladium. L'uréase et la butyrylcholinestérase ont été immobilisées en surface par réticulation. Le greffage d'uréase en monocouche utilisant le chlorure de cyanuryle est aussi effectué. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux fournis par le greffage en multicouches. Les réponses de l'électrode à uréase greffée en monocouche et en multicouches ont été explicitées à l'aide d'un modèle théorique.

Le travail de la thèse présente une série de (bio)capteurs conductimétriques, à base de la clinoptilolite, pour la détermination de l’ammonium, de l’urée et de la L-arginine. La clinoptilolite, le matériau nanométrique, possédant des propriétés de la sorption intrinsèque et une capacité d’échange cationique vis-à-vis des espèces ammonium, a été d’abord utilisée pour la réalisation d’un microcapteur conductimétrique sélectif à NH4+. Ci-après, une application de ce nanomatériau dans les biocapteurs est favorable pour le fonctionnement dans les solutions tampons multicomposants. Parmi plusieurs variantes de biocapteurs à l’urée à base de la zéolite, la plus intéressante est le biocapteur, dans lequel la couche de la clinoptilolite, déposée sur le transducteur, a été recouverte par le dépôt de la couche de l’uréase et de la zéolite. Pour l’élaboration d’un biocapteur conductimétrique hautement sensible pour la détermination de la L-arginine, l’arginase et l’uréase ont été co-réticulées sur le transducteur. Une détermination quantitative de la L-arginine dans une solution buvable « Arginine Veyron » a montré un fort accord avec les données fournies par le producteur. Une procédure détaillée de l’optimisation du biocapteur conductimétrique pour la détection de la L-arginine dans le sérum bovin a été proposée. La clinoptilolite a été également appliquée comme un modificateur dans la co-immobilisation de l’arginase et l’uréase pour améliorer les caractéristiques analytiques de biocapteur conductimétriques pour la détermination de la L-arginine / Currentwork presents a serie of conductometric (bio)sensors based on clinoptilolite, for ammonium, urea and L-arginine determination. Clinoptilolite, a nanoscale material possessing exceptional sorption and cation-exchange properties toward ammonium species, was initially used for the development of NH4+-selective conductometric microsensor. The clinoptilolite-based microsensor was selective toward ammonium in the presence of interferences that are commonly found along with ammonium in natural waters. Hereafter, an application of this nanomaterial in biosensors is favorable for operation in multicomponent buffer solutions. Among the several variants of the urea biosensors based on zeolite, considerably better characteristics were obtained for the biosensor comprising a clinoptilolite adlayer and an upper layer of immobilized urease and zeolite. In the work, for first time was developed a highly sensitive conductometric biosensor for L-arginine determination based on arginase and urease co-immobilized in a single membrane. The results of a quantitative determination of L-arginine in a drinkable solution “Arginine Veyron”, obtained by the biosensor, were in high correlation with the data provided by the producer. The L-arginine conductometric biosensor was optimized for the serum analysis. Clinoptilolite was also applied as a modifier in co-immobilization of arginase and urease for the improvement of analytical characteristics of the conductometric biosensor for L-arginine determination

Les biotechnologies sont un outil puissant permettant d’emprunter les circuits biologiques pour produire des composés aux applications multiples (médecine, alimentation, industries…). Les cyanobactéries possèdent des propriétés génétiques et trophiques précieuses pour réduire les coûts et l’empreinte environnementale de ces procédés (photosynthèse, fixation du CO₂, sources d’azote assimilables...). Elles produisent aussi naturellement certaines molécules énergétiques comme le H₂ dont pourraient émerger de nouvelles filières propres de biocarburants. Cependant, une compréhension globale et approfondie de leur physiologie est nécessaire pour concevoir un châssis biologique performant à partir de ces organismes. Elles sont aisément manipulables génétiquement mais présentent une versatilité favorisant la fixation de mutations bénéfiques mais aussi délétères pour leur exploitation à grande échelle. Au cours de ma thèse, j’ai construit et étudié des mutants d’un régulateur de l’assimilation du CO₂ dont l’activation est liée à la photosynthèse. J’ai montré que l’activité du cycle de Calvin synchronise les flux du carbone et le statut rédox de Synechocystis et que sa dérégulation se répercute de manière pléiotropique sur son métabolisme. Plus spécifiquement, je me suis intéressé au déséquilibre carbone/azote dans cette espèce et à son métabolisme de l’urée qui présente un intérêt biotechnologique considérable. J’ai démontré que ce dernier était en compétition avec l’hydrogénase pour l’insertion du nickel dans leurs centres catalytiques respectifs. L’insuffisance de ce métal a permis de sélectionner des mutants de l’uréase tolérant une exposition prolongée à l’urée et conservant une forte capacité de production de H₂ en présence de ce substrat azoté. L’ensemble de ces résultats montre que le métabolisme de Synechocystis peut être détourné au profit de certains processus cellulaires. Les approches « omiques » permettent d’identifier globalement les réponses physiologiques induites ainsi que les leviers biologiques de compensation. Ces travaux sont discutés au regard des implications biotechnologiques de l’instabilité génétique et de la nécessité de renforcer notre compréhension de la plasticité métabolique et génomique des cyanobactéries. / Biotechnology is a powerful tool allowing exploitation of biological circuits to produce compounds with multiple uses (medicine, nutrition, industrial…). Cyanobacteria have valuable genetic and trophic properties which could reduce the costs and the environmental footprint of these processes (photosynthesis, CO₂ fixation, assimilation of diverse nitrogen sources…). They also naturally produce energetic molecules such as H₂ from which new and sustainable biofuels sectors may rise. However, a global and fine understanding of their physiology is required in order to design an efficient biological chassis with these organisms. They are genetically manipulable but also exhibit a strong versatility favoring fixation of mutations that can be either beneficial or harmful to their large-scale cultivation. Over the course of my PhD, I constructed and studied mutants of a CO₂ fixation regulator whose activation is linked to photosynthesis. I showed that the Calvin cycle activity synchronizes carbon fluxes and redox status in Synechocystis and that its deregulation affects the metabolism in a pleiotropic manner. I was specifically interested into the carbon/nitrogen balance in this species and its urea metabolism which is of prime interest in biotechnology. I demonstrated that the latter was in competition with the hydrogenase for the insertion of nickel into their respective catalytic centers. Scarcity of this metal leads to selection of mutants thriving upon prolonged exposure to urea that retained a high capacity of H₂ production in presence of this nitrogenic substrate. This work shows that the metabolism of Synechocystis can be altered in favor of other cellular processes. Omics approaches allow global identification of the physiological responses induced as well as the biological compensation mechanisms. These observations are discussed with regards to biotechnological implications of genetic instability and the need to strengthen our understanding of metabolic and genetic plasticity in cyanobacteria.

Un certain nombre de facteurs limite aujourd'hui le développement de procédés industriels utilisant la catalyse enzymatique en phase hétérogène. Leur étude a permis la compréhension des systèmes mettant en jeu le transfert de chaleur et de matière en présence d'un champ électrique imposé. Ce travail trouve des applications pratiques et industrielles notamment : (1) La réalisation d'un capteur enzymatique qui utilise la variation d'enthalpie de la réaction enzymatique comme grandeur mesurable. (2) L'optimisation de l'activité catalytique d'une membrane artificielle contenant un enzyme immobilisé, par application d'un gradient de potentiel électrique externe.