Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [85]-90. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Les facteurs de transcription (FT) de la famille R2R3-MYB chez les plantes jouent un rôle important dans la formation de la paroi secondaire des cellules de bois, que ce soit en activant ou en réprimant leurs gènes cibles au sein d’un réseau régulationnel complexe. Dans ce travail, nous avons utilisé la transgénèse et l’immunoprécipitation de chromatine associée à un séquençage haut-débit (ChIP-SEQ) pour déterminer la fonction de 3 FT R2R3-MYB chez le peuplier. Les peupliers surexprimant MYB090 ont des rayons moins lignifiés ; les tiges présentent une réduction de croissance et de teneurs en lignines. MYB090 régule ses cibles à l’aide d’un motif très conservé, similaire au motif Gamyb. Ses cibles sont impliquées notamment dans la biosynthèse des lignines, cellulose et xylanes, constituants principaux des parois. Les plantes surexprimant MYB221-SRDX et MYB156 présentent une nette réduction de la lignification des parois de leurs fibres, associée à une réduction de croissance. MYB221 semble avoir pour cibles des gènes codant pour des enzymes du métabolisme, ainsi qu’un autre FT de type R2R3-MYB, dont la régulation passe par un motif conservé de type SMRE (Secondary wall MYB-Responsive Element). En conclusion, la combinaison des approches ChIP-SEQ et de transgénèse montre que MYB090 semble être un répresseur transcriptionnel de la lignification, notamment dans les rayons, et de la formation de la paroi secondaire. De même, MYB156 et MYB221 seraient également des répresseurs de la lignification, dans les fibres et les rayons. Cette thèse ouvre des perspectives sur l’établissement de réseaux de régulation transcriptionnelle de la formation de la paroi secondaire. / Plant R2R3-MYB transcription factors (TF) play an important role in secondary cell wall formation in wood cells, by activating or repressing their target genes within a complex regulatory network. Here, we used genetic engineering and chromatin immunoprecipitation technique, associated to next-generation sequencing (ChIP-SEQ) to determine the function of 3 R2R3-MYB TF in poplar. Plants overexpressing MYB090 had less lignified parenchyma rays. The stem growth and total lignin content were reduced. MYB090 regulates target genes through a highly conserved motif, similar to Gamyb. Its target genes are involved in lignin, cellulose and xylan biosynthesis, which are the major components of secondary cell wall. Poplars overexpressing MYB221-SRDX and MYB156 showed a decrease in fiber cell wall lignification, and a reduced growth. MYB221 have targets encoding for metabolic enzymes but also for another R2R3-MYB TF. MYB221 recognizes its target genes, most probably through SMRE (Secondary wall MYB-Responsive Element) conserved motif. In conclusion, the combination of ChIP-SEQ and genetic engineering approaches shows that MYB090 seems to be a transcriptional repressor of lignification, especially in parenchyma rays. MYB156 and MYB221 are also negative regulators of secondary cell wall lignification, in fibers and parenchyma rays. This work opens new avenues on the building of transcriptional regulatory networks involved in secondary cell wall formation.

L'arabinoxylane est un polysaccharide complexe qui est préférablement fermenté par Bifidobacterium longum comparativement aux autres bactéries intestinales. Le but de cette étude était d'identifier les gènes impliqués dans la fermentation de l'arabinoxylane et un gène catabolique, ainsi que de mesurer l'expression différentielle de ceux-ci à l'aide du PCR en temps réel. L'ARN total de B. longum a été extrait durant trois phases de croissance dans un milieu contenant du glucose, de l'arabinose, du xylose ou de l'arabinoxylane. En présence d'arabinoxylane, l'expression des gènes abfB (5 et 6 fois) et xynD (12 et 6 fois) est plus élevée qu'en présence de glucose pour les phases mi et fin exponentielle respectivement. Une augmentation de l'expression des deux gènes à la fin de la phase exponentielle est aussi observée en présence de xylose et d'arabinose. L'expression du gène Idh est plus faible en milieu qu'en fin de phase exponentielle. Cette recherche montre que les gènes ahfB, xynD et Idh sont différentiellement exprimés lorsque B. longum catabolise l'arabinoxylane. / Arabinoxylan is a complex polysaccharide which is preferably fermented by Bifidobacterium longum as compared to other intestinal bacteria. The aim of this study was to identify genes involved in arabinoxylan fermentation and a catabolic gene and measure the differential expression of those using real time PCR. Total RNA of B. longum NCC2705 was extracted during three growth phases in medium with glucose, arabinose, xylose or arabinoxylan as carbon source. In presence of arabinoxylan, the expression of abfB (5 and 6 fold) and xynD genes (12 and 6 fold) was higher than in the presence of glucose in mid and late exponential growth, respectively. An increase in the expression of the two genes at the late exponential growth phase was also observed in the presence of xylose and arabinose. The expression of the Idh gene was lower in the mid than in the late exponential phase of growth. This research shows that the genes abfB, Idh and xynD are differentially expressed when B. longum catabolizes arabinoxylan.

Les co-produits agricoles, son et paille de blé, sont riches en arabinoxylanes (AX) qui après hydrolyse peuvent fournir des molécules pour des usages variés: xylo-oligosides (prébiotiques), xylose (xylitol), acide férulique (vanilline, antioxydant). L’étude a visé à mettre en place un procédé intégré et éco-compatible, depuis l'hydrolyse enzymatique des AX du son de blé jusqu'à la purification de l'acide férulique. Des cocktails hémicellulasiques produits par culture de la bactérie Thermobacillus xylanilyticus sur paille ou son de blé et mis en œuvre dans des conditions variées ont permis de libérer des glucides (mono- et oligomères) et de l’acide férulique. Afin d’augmenter la monomérisation, deux nouvelles β-xylosidases ont été produites à partir de T. xylanilyticus et caractérisées. Elles ont été testées pour complémenter des cocktails hémicellulasiques complexes issus de T. xylanilyticus et étudiées en mélange avec une xylanase et une arabinosidase pures. Le choix d’une résine anionique faible sous forme base libre pour séparer les fractions glucidique et phénolique et purifier l’acide férulique s’est également inscrit dans une démarche d’éco-conception : la résine Amberlyst A21 a montré une bonne affinité pour l’acide férulique et sa régénération a libéré une fraction très concentrée. La déminéralisation préalable de l’hydrolysat par électrodialyse a permis d’accroître la capacité de la résine pour l’acide et la pureté de la fraction récupérée, potentiellement cristallisable. / Agriculture by-products (wheat bran and straw) are rich in arabinoxylans (AX). These polymers composed of a main chain of β-(1,4) linked xylose ramified by arabinose and ferulic acid, are sources of molecules for various applications: xylooligosaccharides as prebiotics, xylose to synthesize xylitol, a non-cariogenic sweetener, or ferulic acid as a precursor of vanillin or an antioxidant molecule for packaging applications. The aim of this work was to set up an eco-friendly process ranging from wheat bran AX hydrolysis to ferulic acid purification.Hemicellulasic cocktails obtained by growing Thermobacillus xylanilyticus on wheat straw or wheat bran were implemented in various conditions. They released a carbohydrate fraction (mono- and oligosaccharides) and ferulic acid. In order to increase the monomerization, two new β-xylosidases were grown from T. xylanilyticus and characterized. They were tested to supplement the complex hemicellulasic cocktails from T. xylanilyticus and studied in mixture with a pure xylanase and a pure arabinosidase.The choice of a weak anionic resin under free base form to separate the glucidic and the phenolic fractions and to purify ferulic acid was also driven by environnement purposes: Amberlyst A21 resin showed a good affinity for ferulic acid and regeneration allowed a concentrated fraction of ferulate to be obtained. Prior demineralization by electrodialysis increased the capacity of the resin for ferulic acid and the purity of the recovered fraction, potentially allowing crystallization.

La biomasse lignocellulosique est au cœur du développement de la bioraffinerie de par l’intérêt de fractionner ses composants avec divers procédés pour la production de biocarburants, de molécules d’intérêt et de matériaux agro-sourcés. L’objectif de cette thèse visait à étudier la transformation des xylanes du son de blé en molécules tensio-actives (esters de pentoses). Cette transformation a été envisagée en deux étapes : une première étape d’hydrolyse du son de blé par des hémicellulases pour la production de xylose et d’arabinose, suivie d’une seconde étape d’acylation de ces glucides par une lipase pour accéder aux esters de pentoses. La thèse s’est principalement focalisée sur l’étude de la transestérification de D- xylose et de L-arabinose (purs ou issus d’un hydrolysat de son de blé) et du laurate de vinyle par la lipase immobilisée N435. L’influence de divers paramètres réactionnels a été étudiée. Des mono- et diesters lauriques de D-xylose et de L-arabinose, dont la structure a été caractérisée, sont produits par la lipase. Les propriétés physico-chimiques de ces esters lauriques de pentoses, originaux et nouvellement décrits, ont été évaluées et ont montré l’intérêt de ces molécules en tant que tensio-actifs. Une approche préliminaire a également été développée pour étudier la synthèse d’esters lauriques de xylo-oligosaccharides par la lipase N435. Nos résultats montrent que cette production a lieu mais qu’elle est moins efficace que dans le cas des monosaccharides. La transestérification catalysée par la lipase N435 reste dans ce cas à optimiser, de même que la purification et la caractérisation de ces esters lauriques de xylo-oligosaccharides. / Lignocellulosic biomass is at the center of biorefinery development. This development is achieved by the fractionation of the main components of lignocellulosic biomass (cellulose and hemicelluloses) in order to produce biofuels, molecules of interest and agromaterials.This PhD thesis had the objective to study the transformation of wheat bran xylanes into pentose based surfactants. A two steps system was studied, a first step of enzymatic hydrolysis of wheat bran with hemicellulases (to produce xylose and arabinose) and a second step of sugar acylation catalyzed by a lipase to produce pentoses based surfactants.The PhD thesis mainly focused on the transesterification of D- xylose and L-arabinose (pure or obtained from wheat bran hydrolysate) by the immobilized lipase N435 with vinyllaurate. Several parameters were studied. Lauryl mono- and diesters of D- xylose and L-arabinose were produced by the lipase and their structures were elucidated. Physico-chemical properties of the original and newly produced pentoses based esters were investigated and shown the surfactant potential of these molecules. A preliminary approach was also developed to study the enzymatic synthesis of lauryl xylo-oligosaccharides esters by the lipase N435. Our results showed that such a production is possible but is less efficient than with monosaccharides. The production by transesterification of xylo-oligosaccharides with the lipase N435 needs to be optimized as well as the purification and the characterization of lauryl xylo-oligosaccharides esters.

Le fractionnement du bois est un processus faisant appel à des méthodes encore non éco-compatibles. L’étape-clé de ce fractionnement est la délignification, qui utilise des composés chlorés, donc nocifs. Ainsi, des procédés originaux de délignification des sciures de bois de châtaignier ont été développés, utilisant des catalyseurs de type phtalocyanine et porphyrine. Ceux-ci, en milieu oxydant,permettent d’oxyder la lignine et donc de la détruire. Cette délignification a été caractérisée par différentes techniques, notamment par spectroscopie FT-IR et UV-Visible et par la mesure du nombre Kappa. Les résultats se sont révélés globalement décevants mais nous avons tout de même souhaité extraire les 4-O-Méthylglucuronoxylanes (MGX), les hémicelluloses majoritaires du châtaignier, à partir de sciures délignifiées par le système phtalocyanine/H2O2. Ceux-ci ont été extraits par simple traitement à l’eau chaude, ce qui a permis d’obtenir un MGX original porteur de résidu phénolique prouvant la délignification incomplète des sciures. Ces résidus phénoliques confèrent aux MGX un pouvoir antioxydant intéressant mesuré face au radical stable 2,2-diphényl-1-picrylhydrazyl (DPPH) par Résonance Paramagnétique Electronique (RPE) dont la CI50 a été mesuré à 225μg.mL-1, qui, comparé à des références, peut se placer comme un alternatif crédible en tant qu’antioxydant dans l’industrie alimentaire ou cosmétique. Nous avons enfin caractérisé plus précisément un fragment du polysaccharide afin de remonter à sa structure native dans le bois. / Fractionation of wood, essential for the development of its molecular constituents, generally includes non eco-friendly steps. The key-step of the fractionation, the delignification, is generally based on the implementation of aggressive conditions, using harmful reagents, particularly chlorinated. In this work, we developed a new method of delignification of sawdust chestnut, emblematic species of the Limousin region, using phthalocyanine or porphyrin as a catalyst and hydrogen peroxide as the oxidant. Lignin degradation was characterized by various techniques, including FT-IR spectroscopy, UV-visible absorption and by measuring the kappa number. Then we showed that the use of phthalocyanine, less effective that porphyrins in terms of degradation mass yields of lignocellulosic material are however more selective to lignin oxydation. It was then possible, from residues only partially delignified, to extract by a simple hot water a hemicellulose with a similar structure to the 4-O-M¨¦thylglucuronoxylans classically extracted from hardwood. This polysaccharide is characterized by the presence of phenolic residues providing it an interesting antioxidant activity, measured against the radical 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) by Electron Paramagnetic Resonance (EPR) and its IC50 is estimated at 225¦Ìg. mL-1. This value, compared to reference products such as vitamin E, allows to classify this compound among good candidates for development as a natural preservative for food or cosmetic industries.

Chez l’homme, la dégradation des fibres alimentaires est une des fonctions principales du microbiote colique. Elles ont de nombreux effets bénéfiques en santé humaine et pourtant les mécanismes microbiens mis en jeu dans leur dégradation restent encore largement méconnus. L’objectif de cette thèse était d’approfondir les connaissances sur la dégradation des polysaccharides pariétaux (hémicelluloses et pectines) par une espèce bactérienne prédominante du côlon de l’homme, Bacteroides xylanisolvens. L’analyse du transcriptome de B. xylanisolvens XB1AT a révélé l’existence de six et deux loci génomiques respectivement dédiés à la dégradation des pectines et des xylanes. Ces loci ou PULs (« Polysaccharide Utilization Loci ») sont connus chez Bacteroides pour coder pour des systèmes enzymatiques spécifiques d’un polysaccharide en particulier. L’analyse des CAZymes (Carbohydrate-Active Enzymes) codées par les PULs « pectinolytiques » a permis de proposer une cible polysaccharidique (homogalacturonane, rhamnogalaturonane de type I et II, arabinane) à cinq des six PULs identifiés. Les deux PULs « xylanolytiques » cibleraient les xylanes de faible complexité. La mutation du gène susC-like dans le PUL 49 et du gène HTCS (Hybrid Two-Component System) dans le PUL 43 a démontré l’importance respective de ces deux loci dans la fonction pectinolytique et xylanolytique de la bactérie. Le mutant HTCS a aussi permis de montrer pour la première fois que deux PUL peuvent être liés au niveau transcriptionnel. En présence de xylane, les données de protéomique ont souligné la surproduction par la bactérie d’une endo-xylanase possédant deux CBMs (Carbohydrate-Binding Modules). Cette enzyme modulaire pourrait être considérée comme un marqueur fonctionnel de la xylanolyse dans l’écosystème microbien intestinal. En conclusion, B. xylanisolvens déploie une machinerie enzymatique qui reflète la complexité des polysaccharides pariétaux de plantes. La plasticité métabolique de B. xylanisolvens vis-à-vis des fibres alimentaires contribue certainement à sa survie et son maintien dans le côlon humain. Des études d’écologie fonctionnelle ciblant la communauté fibrolytique intestinale sont encore nécessaires afin de mieux décrypter l’impact des fibres alimentaires et en particuliers des polysaccharides pariétaux sur le métabolisme microbien intestinal et par conséquent sur la santé humaine. / Dietary fiber degradation is a key function of the human gut microbiota. They have many beneficial effects on human health and yet microbial mechanisms involved in their degradation remain largely unknown. The aim of this thesis was to increase our knowledge on the degradation of plant cell wall polysaccharides (hemicelluloses and pectins) by a prominent human gut bacterial species, Bacteroides xylanisolvens. The transcriptome analysis of B. xylanisolvens XB1AT revealed the existence of six and two genomic loci dedicated to the degradation of pectins and xylan, respectively. These loci or PUL ("Polysaccharide Utilization Loci") are known to encode enzyme systems in Bacteroides that are specific to a particular polysaccharide. Analysis of the CAZymes (Carbohydrate-Active Enzymes) encoded by the "Pectinolytic" PULs allowed us to propose a polysaccharide target (homogalacturonan, type I and type II rhamnogalaturonane, arabinan) to five of the six identified PULs. The two identified "xylanolytic" PULs would target low complexity xylan. Mutation of the susC-like gene of PUL 49 and of the HTCS gene (Hybrid Two-Component System) of PUL 43 showed the importance of these two loci in pectinolytic and xylanolytic functions of the bacterium, respectively. The HTCS mutant also revealed for the first time that two PULs can be linked at the transcriptional level. With xylan, proteomic data highlighted the overproduction by the bacterium of an endo-xylanase with two CBMs (Carbohydrate-Binding Modules). This modular enzyme could be considered as a functional marker of xylan breakdown in the intestinal microbial ecosystem. In conclusion, B. xylanisolvens harbors an enzymatic machinery that reflects the complexity of plant cell wall polysaccharides. The metabolic plasticity of B. xylanisolvens towards dietary fibers certainly contributes to its fitness in the human gut. Functional and ecological studies targeting the intestinal fibrolytic community are still necessary to better understand the impact of dietary fibers and in particular plant cell wall polysaccharides on the intestinal microbial metabolism and consequently on human health.

Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

La thèse présentée propose une nouvelle voie de valorisation des xylanes du bois par l’élaboration de nouveaux polymères bio-sourcés et amphiphiles.Après une caractérisation complète de xylanes issus du bois de hêtre, l’hydrolyse acide en milieu dilué a été optimisée afin d’obtenir des xylo-oligosaccharides d’environ 6 unités xylose par chaîne avec une seule unité acide méthylglucuronique positionnée à l’extrémité non réductrice de la chaîne. En parallèle, l’étude de l’oxydation au periodate de sodium de ces xylanes a été effectuée pour permettre l’introduction d’un nombre contrôlé de fonctions aldéhyde le long de la chaîne. La fonction aldéhyde de l’extrémité réductrice des oligomères de xylane a ensuite été fonctionnalisée par un groupement allyle ou azoture pour permettre leur couplage à des dérivés d’acide gras par ‘chimie click’.Les oligomères amphiphiles ainsi obtenus ont ensuite été étudiés pour leurs propriétés tensioactives et d’auto-assemblage. Ils présentent de bonnes propriétés de mouillage, comparables à celles du Tween®80. Les objets issus de l’auto-assemblage de ces oligomères amphiphiles ont été analysés par DLS et TEM. Ils s’auto-assemblent aussi bien dans le chloroforme que dans l’eau. Les objets formés sont sphériques et de taille micellaire (d ≤ 50 nm). Ces objets ont tendance à s’associer pour former des agrégats, surtout dans le chloroforme. Ces agrégats sont régis par des interactions assez faibles pour être éliminés par dilution. Ils peuvent également être éliminés par simple filtration.Finalement, ce travail de thèse aura abouti à la synthèse de composés amphiphiles totalement bio-sourcés, à partir de xylanes, coproduits potentiels de l’industrie papetière. Grâce à leurs propriétés tensioactives, les applications envisageables pour ces tensioactifs ‘verts’ sont nombreuses. De plus, leur caractère biocompatible et leur auto-assemblage en solution aqueuse en font de bons candidats pour l’encapsulation et la vectorisation de principes actifs. / This thesis work aims to add value to xylans by designing new bio-based amphiphilic polymers.Beechwood xylans were first fully characterized before their acidic hydrolysis. The hydrolysis conditions were optimized in order to obtain well-defined xylooligosaccharides, oligomeric chains of about six xylose units that have only one methylglucuronic acid unit positioned at the non-reductive chain end. Periodate oxidation of xylans was also studied in order to form new aldehyde groups within the xylan backbone in a controlled manner. The xylooligomers were then functionalized from their reductive end with an azide or an allyl group, providing the ability to couple these oligomers to fatty acid derivatives using ‘click chemistry’.The obtained amphiphilic oligomers were finally studied according to their surfactant and self-assembly properties. Their wetting properties were found to be very good, comparable to those found with Tween®80. Moreover, they self-assembled in both chloroform and water, where their structures were characterized via DLS and TEM. The resulting particles formed had a spherical micellar morphology, with a d ≤ 50 nm. However, it was found that the particles had a tendency to form large aggregates, particularly in chloroform. The aggregates could be easily removed, either by filtration or by dilution of the sample, as the forces that govern the aggregation are low enough to allow dissociation with increasing solvent volume.As previously mentioned, this thesis work led to the synthesis of bio-based amphiphilic oligomers starting from xylans, which are a potential byproduct in the paper/pulp industry. Thanks to their surfactant properties, numerous applications can be found for such a ‘green’ surfactant. Their biocompatibility added with their self-assembly nature in aqueous media makes them an attractive molecule for active substance delivery applications.