Th. doct.-ing.--Trait. et prod. de matières prem. vég.--Toulouse--I.N.P., 1983. N°: 256.

Les bactériophages sont maintenant reconnus pour jouer un rôle majeur dans divers écosystèmes. De nouveaux gènes sont fréquemment identifiés dans les génomes de ces bactériophages issus de différentes études environnementales. La majorité de ces gènes ne peuvent être associés à une fonction connue, d’où la nécessité de développer des outils génétiques performants afin mieux comprendre leur rôle dans la biologie des bactériophages virulents. Dans ce projet de maîtrise, le système CRISPR-Cas de la souche Streptococcus thermophilus DGCC7710 a été utilisé afin de pouvoir étudier des gènes sans fonction connue du bactériophage virulent 2972. Des mutations ponctuelles ainsi que de petites et de grandes délétions ont été réalisées dans le génome de phages virulents en utilisant le système CRISPR-Cas comme pression sélective. Finalement, la méthylation de l’ADN phagique a été démontrée suite à l’insertion d’un gène codant pour une méthyltransférase bactérienne dans le génome du phage 2972. / Bacteriophages are now widely recognized as major players in a wide variety of ecosystems. Novel genes are often identified in newly isolated phages as well as in environmental metavirome studies. Most of these novel viral genes have unknown functions but appear to be coding for small, non-structural proteins. To understand their biological role, very efficient genetic tools are required to modify them, especially in the genome of virulent phages. For this MSc project, specific point mutations and large deletions can be engineered in the genome of the virulent phage 2972 using the Streptococcus thermophilus CRISPR-Cas Type II-A. Furthermore, the CRISPR-Cas engineering system can be used to efficiently introduce a functional methyltransferase gene into a virulent phage genome. Finally, synthetic CRISPR bacteriophage insensitive mutants were constructed by cloning a spacer-repeat unit in a low copy vector illustrating the possibility to target multiple regions of the phage genome.

La livraison d’acides nucléiques a révolutionné la recherche biomédicale depuis des décennies. Il existe de nombreuses manières de livrer des acides nucléiques dans des cellules de mammifères. Chaque méthode possède ses avantages et ses inconvénients. Parmi elles, celles dites hybrides, représentent une alternative très intéressante puisqu’elles résultent de la combinaison de méthodes de livraison traditionnelles pour en obtenir une nouvelle aux propriétés améliorées. Cette thèse se consacre à l’étude d’une de ces méthodes de livraison hybride appelée gésifection. Cette dernière consiste à combiner des nanovésicules biologiques appelées « gésicules » avec un agent chimique nommé bromure d’hexadiméthrine pour livrer des acides nucléiques dans des cellules de mammifères. Bien que cette méthode ait fait l’objet de peu de recherches, les résultats publiés jusqu’à présent apparaissent suffisamment intéressants pour poursuivre son développement et sa caractérisation. Cette thèse est divisée en quatre chapitres. Le chapitre 1, est dédié à la revue de la littérature. Il présente un tour d’horizon des méthodes de livraison d’acides nucléiques, puis une présentation des mécanismes impliqués dans la pénétration cellulaire, et enfin, un état des lieux concernant les travaux sur les gésicules. Les chapitres 2, 3 et 4, présentent les travaux expérimentaux réalisés dans le cadre de cette thèse. Le chapitre 2 est consacré au développement d’une méthode optimisée pour produire et utiliser les gésicules pour la livraison d’acides nucléiques. Les gésicules se sont révélées être des particules très résistantes puisque leur capacité de livraison a été maintenue après plusieurs semaines de conservation à différentes températures, ainsi qu’après plusieurs cycles de congélation décongélation. Par ailleurs, les expériences de gésifection ont démontré la capacité de cette méthode à livrer de l’ADN dans des cellules primaires (connues pour être réfractaires) mais également des acides ribonucléiques (ARN) et des plasmides de grandes tailles. Le chapitre 3 est consacré à des expériences de caractérisation des gésicules au niveau morphologique et de leur contenu protéique. Les gésicules ont été visualisées par microscopie électronique avec la confirmation de la présence de la protéine VSV-G à leur membrane. Enfin, une analyse par spectrométrie de masse a permis de fournir la première description du contenu protéique des gésicules. Cela a permis de faire apparaître toute la complexité de ces nanovésicules. Le dernier chapitre de cette thèse (chapitre 4) est dédié à l’identification des mécanismes de pénétration et de transport cellulaire impliqués dans la gésifection. Tout d’abord, une série d’expériences préliminaires a permis d’établir des conditions expérimentales garantissant la fiabilité des résultats (efficacité des lavages, efficacité et innocuité des inhibiteurs métaboliques). Les résultats ont démontré que les complexes de gésifection pénètrent dans les cellules HeLa par macropinocytose et endocytose dépendante des clathrines. Leur parcours intracellulaire jusqu’au noyau de la cellule implique quant à lui, les dynéines et les microtubules. En conclusion, cette thèse contribue significativement au développement de la méthode de gésifection en décrivant un procédé de production et d’utilisation efficaces, et en apportant une meilleure compréhension de la composition et du fonctionnement des gésicules pour livrer des acides nucléiques. / The delivery of nucleic acids has revolutionized the biomedical field for decades, for research as well as for therapeutic applications. There are many nucleic acids delivery methods for mammalian cells. Each has its advantages and disadvantages. Hybrid methods represent a very interesting alternative for the delivery of nucleic acids since it consists in combining elements of existing vectors to develop more efficient new ones. This thesis is devoted to the study of one of these hybrid delivery methods called gesifection. Gesifection involves virus-like particles, pseudotyped with the VSV glycoprotein, able to deliver nucleic acids when combined with a chemical agent named polybrene. Even though the gesifection’s efficiency has been stated in only a few publications, the results were interesting enough for us to investigate the depth of its potential. This thesis is divided into 4 main parts. The chapter 1 is dedicated to a review of the literature and presents the main methods of nucleic acid delivery, followed by a presentation of the mechanisms involved in cell penetration and finally, an inventory of the gesicles and their uses. The chapter 2 of this thesis presents the work that allowed us to optimize the production of gesicles, to determine the best way to use them, to demonstrate their great robustness as well as their capacity to transfect primary cells, large plasmids and also interfering RNAs. The chapter 3 is dedicated to the characterization of gesicles. We have highlighted the formation of gesifection complexes, successfully carried out the purification of gesicles efficient for nucleic acid delivery, visualized the gesicles with their membrane composed of VSV-G proteins and finally, provides the first description of their protein content, showing all the complexity of these particles. Finally, the chapter 4 studies the mechanisms of penetration and cell transport involved during the gesifection. Our results revealed for the first time, that the gesifection complexes enter in HeLa cells by macropinocytosis and clathrin-dependent endocytosis. Furthermore, their intracellular course involves dyneins and microtubules. All of the results presented in this thesis provide a better understanding of gesifection for future developments.

Streptococcus thermophilus is a low GC gram-positive bacterium massively used for the production of fermented products such as yogurt and cheeses. Every day, the dairy industry must face virulent bacteriophages and their consequences. Recently, a genetic structure called CRISPR (for Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) was found to be present in many bacterial and archeabacterial genomes. This system, in association with Cas (CRISPR-associated) proteins, allows the bacteria to become resistant to foreign DNA, such as phage or plasmid DNA, by the acquisition of new sequence-specific spacers. During this M. Sc. project, the transcription profile of the CRISPRl-cas system of S. thermophilus was investigated. First, the phage-sensitive wild-type strain DGCC7710 and two phage-resistant CRISPR-mutants (DGCC7710<i>2972+S4 and DGCC7710*2972+S7) were infected with the virulent phage 2972. Northern blot experiments of infected cells samples taken at time intervals were performed using a series of single-stranded 5'-labeled-probes targeting the four cas genes, the CRISPR1 locus, as well as phage genes. Phage DNA replication assays of the same samples were also done. Finally, in vitro enzymatic assays were performed using Casl and Cas2 purified proteins. In the three S. thermophilus strains tested, the four cas genes and the CRISPR1 locus were constitutively transcribed. In the phage-resistant CRISPR-mutant DGCC7710<D2972+S4 , phage mRNA specific to the acquired new spacer was rapidly degraded, whereas phage mRNAs were increasingly and strongly detected in infected phage-sensitive cells (DGCC7710). Conversely, no DNA degradation was observed. The enzymatic assays revealed that Casl and Cas2 have ssRNase activity which, in the case of Casl, is specific to a A(U)C sequence. Taken altogether, the CRISPR-cos system in S. thermophilus leads to mRNA degradation of specific phage transcripts, thereby limiting phage replication. / Streptococcus thermophilus est une bactérie utilisée pour la fabrication de produits laitiers fermentes, mais elle doit constamment lutter contre les infections par de nouveaux bacteriophages virulents. Récemment, un tout nouveau mécanisme naturel de défense contre les phages a été découvert chez S. thermophilus. Les CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) sont des séquences d'ADN contenant plusieurs répétitions entrecoupées de régions appelées spacers qui proviennent d'ADN extrachromosomique. Les loci CRISPR sont habituellement situés à proximité de gènes cas (CRISPR-associated). L'acquisition d'un spacer est directement reliée à une immunité contre le phage duquel provient l'ADN de ce spacer. Au cours de ce projet de maîtrise, le mode de fonctionnement du système CRISPR-cas a été étudié par analyse transcriptionnelle des gènes cas, de régions impliquées dans le locus CRISPRl-cas ainsi que des gènes viraux chez trois souches isogéniques de S. thermophilus (DGCC7710, DGCC7710[phi]2972+S4 et DGCC7710[phi]2972+S7) en cours d'infection par le phage 2972. Des travaux ont également été faits sur la replication virale chez les trois souches. Finalement, des essais enzymatiques in vitro ont été réalisés avec deux des quatre protéines Cas dont les gènes précèdent un des loci CRISPR de la souche DGCC7710. Les résultats du projet indiquent, entre autres, que les quatre gènes cas présents chez la souche S. thermophilus DGCC7710 sont transcrits constitutivement et que l'ARNm viral est dégradé par les souches résistantes ayant acquis de nouveaux spacers, ce qui ne semble pas être observé au niveau de l'ADN. Les résultats des essais enzymatiques démontrent également que les protéines Casl et Cas2 possèdent une activité sbRNase, qui dans le cas de la protéine Casl, est spécifique à la séquence A(U)C. Les résultats démontrent que le système CRISPR-cas agit de façon à dégrader l'ARN étranger comprenant une séquence identique à un spacer acquis par une souche résistante, ce qui a pour effet direct de limiter la replication du phage.

Plusieurs études ont clairement démontré l'effet athéroprotecteur de la bilirubine. Par contre, un niveau trop élevé de bilirubine peut causer des effets neurotoxiques. Au niveau de la paroi artérielle, le stress oxydatif entraîne la production des oxystérols qui sont les activateurs endogènes du « Liver X Récepteur » (LXR). Nous avons étudié les effets de l'activation du LXRa sur l'expression de l'enzyme responsable de la glucuronidation de la bilirubine, l'UDP-glucuronosyltransférase (UGT) 1A1 dans le foie. Nous avons identifié de nouveaux éléments de réponse (LXRE) dans le promoteur de l'UGTlAl. Dans des cellules hépatiques, l'activation du LXRa entraîne une augmentation de l'expression et de l'activité de l'UGTlAl. Cet élément de réponse fonctionnel n'est pas conservé chez des rongeurs, ce qui entraîne que cette régulation est limitée aux mammifères supérieurs. En conclusion, nous avons identifié une nouvelle fonction du récepteur nucléaire LXRa qui consistent dans le contrôle de l'expression l'UGTlAl. L'activation du récepteur nucléaire LXRa par les oxystérols permet d'intégrer l'augmentation de la production de la bilirubine au niveau de la paroi d'artère avec une augmentation de l'excrétion hépatique. De plus, l'activation du LXRa par des composantes pharmacologiques, peut être intéressante dans le contexte de l'athérosclérose et de Fhyperbilirubinémie, maladies dans lesquelles la bilirubine joue des rôles importants.

Titre de l'écran-titre (visionné le 22 novembre 2023) / Problématique : La glucuronidation métabolise de nombreux composés exogènes et endogènes, notamment les acides biliaires (AB). Leur propriété amphipathique facilite l'absorption lipidique intestinale, mais les rend cytotoxiques à haute concentration, comme dans les maladies cholestatiques du foie où le flux biliaire est réduit. En catalysant le transfert du groupement glucuronosyle sur le substrat, les enzymes UDP-glucuronosyltransférases (Ugt) facilitent l'élimination. Cette réaction est modulable, permettant ainsi réguler la formation d'AB-glucuronides (-G); la glucuronidation des AB serait donc une cible anticholestatique pour réduire leur concentration intrahépatique. Cependant, son étude est limitée par l'absence d'un modèle animal caractérisé. Hypothèse : La souris constitue un modèle potentiel pour l'étude de la glucuronidation des AB. Objectif : Ce mémoire vise à pallier ce manque en déterminant les contributions enzymatique et tissulaire de la glucuronidation des AB chez la souris et de sa modulation par une diète hyperlipidique et par la température. Méthodes : Un profilage bilacidomique-G a été effectué sur le foie, les contenus intestinaux et les fèces murins. Des essais enzymatiques ont été réalisés en incubant les AB libres en présence de microsomes de cellules embryoniques rénales humaines (HEK)293 exprimant chacune des Ugt2b murines (Ugt2b1, 2b5, 2b34, 2b35, 2b36, 2b37, 2b38) ou d'homogénats de foie ou d'intestin de souris de 4 souris/sexe. Les 7-8 souris/traitement étaient nourries d'une diète normale ou hyperlipidique durant 8 semaines et hébergées à une basse température (10 °C) ou plus élevée (30 °C) durant 4 semaines. Les AB-G ont été quantifiés par chromatographie liquide couplée à de la spectrométrie de masse. Résultats : L'acide β-muricholique-24G (β-MCA-24G) est l'AB-G le plus fréquemment retrouvé, et sa formation proviendrait notamment au foie et au côlon, principalement via l'isoforme Ugt2b37. La glucuronidation du β-MCA est augmentée par une diète hyperlipidique et par une température d'hébergement supérieure. Conclusion : Ces analyses démontrent la contribution des Ugt2b, ainsi que du foie et du côlon, pour la glucuronidation des AB chez la souris. La diète et la température d'hébergement régulent leur glucuronidation par des Ugt spécifiques. Les résultats indiquent que la souris est un modèle animal potentiel pour l'étude de cette cible anticholestatique. / Background: The glucuronidation reaction metabolizes numerous exogenous and endogenous compounds, such as bile acids (BAs). Their amphipathic property enhances intestinal lipid absorption, but renders them cytotoxic in high concentrations, as observed in cholestatic liver diseases where bile flow is impaired. By catalyzing the transfer of the glucuronosyl group on the substrate, UDP-glucuronosyltransferases (Ugt) enzymes allow elimination. This reaction can be modulated, thereby regulating BA-glucuronide (BA-G) formation. However, its understanding is limited by the lack of an animal model fully characterized. Hypothesis: Mouse could serve as a potential model for the study of BA glucuronidation. Objective: This MSc thesis aims to characterize enzymatic and tissular contributions to murine BA glucuronidation and its regulation through dietetic and environmental modulators. Methods: BA-G profiling was achieved on murine liver, intestinal contents, and feces. Enzymatic assays were performed by incubating BA-G precursors with microsomal fractions of human embryonic kidney (HEK)293 cells expressing each murine Ugt2b (Ugt2b1, 2b5, 2b34, 2b35, 2b36, 2b37, 2b38) or liver or intestinal homogenates from conventionally raised or treated mice. Evaluated treatments included a high-fat diet and temperature modulation. BA-Gs were quantified by liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry. Results: β-muricholic acid-24G (β-MCA-24G) was the most frequently detected BA-G, and its formation involves the liver and the colon, mainly from the Ugt2b37 enzyme. β-MCA glucuronidation increased with a high-fat diet and with a higher captivity temperature. Conclusion: Our results assess the contribution of Ugt2bs, as well as liver and colon, to murine BA glucuronidation, and that diet and captivity temperature strongly regulate BA-G formation. The present study reveals that the mouse is a potentially suitable model for studying BA glucuronidation as a therapeutic target for cholestatic liver diseases.

La catalyse est la pierre angulaire de la chimie verte et elle permet de performer des transformations chimiques difficiles de manière efficace et sélective. Au niveau industriel, l'utilisation de la catalyse se traduit habituellement en une économie de temps et d'argent. Le développement de systèmes catalytiques pratiques s'est initialement fait à l'aide de métaux des secondes et troisièmes rangées de transition. Au cours des deux dernières décennies, ce domaine de recherche a atteint une certaine maturité. Néanmoins, les catalyseurs à base de métaux de transitions sont souvent dispendieux et polluants. Une quantité considérable de gaz à effet de serre est également engendrée par l'extraction minière de ces métaux. Afin de palier à ces problèmes, d'intéressantes alternatives commencent à faire leur place. Notamment, de nouvelles stratégies de catalyse sans métal de transition ont été développées et l'étude des mécanismes réactionnels nous permet de maximiser leur efficacité. Dans cette thèse, l'optimisation d'une paire de Lewis frustrée (FLP) de type aminoborane (1-NR₂-2-BH₂-C₆H₄) est exploré afin d'améliorer ses performances dans la borylation catalytique de liens C-H de molécules hétéroaromatiques (pyrroles, indoles, thiophènes). Dans les premiers chapitres, le mécanisme réactionnel de cette réaction de borylation est étudié en détail. Une première étude théorique nous permet de déterminer l'impact de l'ajout d'un groupement fonctionnel en position ortho du -BH₂ sur l'activation du lien C-H. Par la suite, la performance d'aminoboranes possédant un encombrement stérique varié au niveau de l'amine est testée pour la catalyse. Les résultats obtenus combinés avec des études cinétiques démontrent que l'aminoborane possédant un groupement pipéridyl effectue la borylation catalytique jusqu'à 15 fois plus rapidement que l'espèce possédant le groupement le plus encombrée tetraméthylpipéridyl. L'activation C-H est donc favorisée lorsque le site réactionnel est plus dégagé. Pour compléter l'étude du mécanisme de la borylation, nous avons également étudié l'étape de la métathèse des liens sigma, qui se révèle être un élément critique et important lors de la borylation du thiophène. En explorant la réaction de FLPs de type aminoborane, nous avons découvert que l'acide borique pouvait agir comme précatalyseur pour l'hydroboration catalytique de composés insaturés. Cette espèce de bore peu dispendieuse et stable peut être utilisée comme précatalyseur remplaçant le BH₃ qui est une molécule très réactive. Une étude mécanistique à l'aide de réactions stœchiométriques et d'analyses cinétiques démontre que la réaction d'hydroboration est plus rapide que la génération et la régénération du catalyseur. Finalement, un système catalytique à base d'acide borique utilisant l'irradiation micro-ondes sans conditions inertes a donc été développé pour l'hydroboration d'esters et d'alcynes. Une dernière étude portant sur la combinaison de deux types de chimie sans métal, les FLPs et les phosphines biphiliques, vient clore le travail présenté. Nous avons exploré deux stratégies pour évaluer s'il est possible de générer une synergie avec les deux systèmes. Tout d'abord, nous avons adapté le ligand de la phosphine triamide P{N[o-NMe-C₆H₄]₂} pour y installer une base de Lewis intramoléculaire. Des tests d'activation de l'hydrogène gazeux avec la phosphine biphilique modifiée nous ont permis de réaliser qu'il n'est pas possible d'atteindre de la réactivité FLP de cette manière. Nous avons ensuite décidé de mélanger la phosphine biphilique P{N[o-NMe-C₆H₄]₂} avec l'aminoborane de type FLP le moins encombrée (1-NMe₂-2-BH₂-C₆H₄). L'objectif était de produire un complexe sans métal ayant une plateforme d'oxydoréduction sur l'atome de phosphore et des orbitales vides et pleines fournies par l'acide de Lewis et la base de Lewis de l'aminoborane. Le complexe attendu n'est pas généré. À la place de celui-ci, une réaction entre les deux espèces produit le benzodiazaborole correspondant et un solide orangé insoluble. À l'aide d'études comparatives, nous sommes venus à la conclusion que le solide produit est un mélange de polymères de phosphore polyhydrures et que la réaction observée est caractéristique des aminophosphines possédant au moins un hydrogène. / Catalysis is the cornerstone of green chemistry, and it allows to perform efficient and selective transformations that are usually challenging to achieve. At the industrial level, catalysis usually offers time and cost-efficient processes. Initially, the development of practical catalysis was done using transition metals of the second and third rows. Over the last two decades, this field of research reached a certain level of maturity. However, the use of transition metal-based catalysts is generally expensive due to the costs associated with their production and their removal from final products. Additionally, a considerable amount of greenhouse gases is liberated during the mining processes of the metals. To overcome these problems, interesting alternatives are starting to appear. Notably new metal-free strategies have been developed and the study of the mechanism allows to maximize their efficiency. In this thesis, the optimisation of an aminoborane (1-NR₂-2-BH₂-C₆H₄) frustrated Lewis pair (FLP) is explored to improve its performance for the catalytic borylation of C-H bonds of heteroaromatic molecules (pyrroles, indoles, thiophenes). In the first chapters, the mechanism of this borylation reaction is thoroughly studied. First, a theoretical study allows us to evaluate the effect of adding a functional group in ortho position of the -BH₂ for the first reaction step of the catalytic cycle: C-H activation. Subsequently, the catalysis performance of aminoboranes with various steric hindrance were tested. These results combined with kinetic studies shows that the aminoborane with a piperidyl group can perform catalysis 15 times faster than the aminoborane with the most encumbered amino group tetramethylpiperidyl. Therefore, the C-H activation is favored when the reaction site is more accessible. To complete the mechanistic investigation of the borylation reaction, the sigma bond metathesis reaction step was also studied. We discovered that this step is a critical and important element for the borylation of thiophene. While screening the aminoborane FLPs reactivity, we discovered that boric acid could act as a precatalyst for the catalytic hydroboration of unsaturated compounds. This inexpensive and stable boron species can be used as a precatalyst to replace the very reactive BH₃. A mechanistic study done with stoichiometric reactions and kinetic analysis show that the hydroboration reaction is faster than the generation and the regeneration of the borane catalyst. Finally, a boric acid based catalytic system using microwave irradiation has been developed for the hydroboration of esters and alkynes. To conclude, a study on the combination of two metal-free strategies was done using FLPs and biphilic phosphines. We explored two strategies to evaluate if it is possible to generate a synergy with both systems. First, we installed an intramolecular Lewis base on the phosphine triamide P{N[o-NMe-C₆H₄]₂}. It was not possible to reach FLP reactivity when looking at hydrogen activation tests with the adapted biphilic phosphine. Following these results, we mixed the biphilic phosphine P{N[o-NMe-C₆H₄]₂} with the least sterically encumbered aminoborane FLP (1-NMe₂-2-BH₂-C₆H₄). The objective was to produce a metal-free complex with a redox platform on the phosphorus atom and with filled and vacant orbitals provided by the Lewis acid and the Lewis base of the aminoborane. Unfortunately, this complex was not generated. Instead, a reaction between the two species produced the corresponding benzodiazaborole and an insoluble orange solid. Using comparative studies, we concluded that the insoluble solid generated is a mixture of phosphorus polyhydride polymers and that the observed reaction is characteristic to aminophosphine bearing at least one hydrogen.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006 / Les acides biliaires sont des détergents naturels jouant un rôle crucial dans le maintien de l'homéostasie du cholestérol. Cependant, leur cytotoxicité rend nécessaire un contrôle strict de leurs concentrations intracellulaires, afin d'éviter diverses pathologies comme la cholestase. La glucuronidation hépatique, catalysée par les enzymes UDPglucuronosyltransférases (UGT), permet l'excrétion urinaire des acides biliaires. Dans la présente étude, nous avons identifiée 11JGT1A3 comme l'enzyme majeure pour l'inactivation de l'acide chenodeoxycholique sous forme de dérivés glucuronides (CDCA-G). D'autre part nous avons pu démontrer que l'activation de différents récepteurs nucléaires comme le « pregnane-X-receptor » (PXR) ou le « Liver X-receptor » (LXR)a induisait l'expression et l'activité de TUGT1A3, en stimulant l'activité transcriptionnelle du gène codant pour cette enzyme. Ces observations indiquent que les activateurs synthétiques des récepteurs PXR et LXRa peuvent être considérés comme des molécules ayant un potentiel pharmacologique pour stimuler l'expression hépatique de 1TJGT1A3 et ainsi favoriser l'élimination des acides biliaires chez le patient choie statique.

Titre de l'écran-titre (visionné le 6 février 2024) / Les changements climatiques et la dégradation environnementale posent un défi de taille pour l'industrie chimique. La recherche d'approches plus durables afin de réduire les dommages causés à l'environnement par les procédés chimiques est donc cruciale. Dans cette optique, la catalyse représente l'un des meilleurs outils. Celle-ci permet d'accélérer des transformations chimiques autrement difficiles, réduisant ainsi la demande énergétique et la quantité de déchets générés par ces procédés. Cependant, la plupart des catalyseurs utilisés à ce jour sont à base de métaux nobles, qui sont rares, dispendieux et parfois toxiques. Il est donc nécessaire de trouver d'autres alternatives aux métaux dans la catalyse. L'une des stratégies les plus prometteuses est la catalyse par paires de Lewis. Une paire de Lewis est composée à la fois d'un acide et d'une base de Lewis. Cette configuration particulière lui permet d'agir coopérativement sur une autre molécule de façon similaire à un métal à la différence que celles-ci sont faites à partir d'éléments abondants et peu toxiques. Cela leur permet de catalyser des transformations importantes avec un impact environnemental moindre que leurs analogues métalliques. Dans cette thèse, la borylation C-H isodesmique catalysée par des paires de Lewis est étudiée. Une réaction isodesmique est une transformation dans laquelle la nature des liens qui sont brisés est la même que ceux qui sont formés. Ainsi, la borylation isodesmique consiste à briser un lien B-C pour former un nouveau lien B-C sur une autre molécule. Comme les propriétés chimiques des réactifs sont similaires à celles des produits, cette approche comporte l'avantage d'être compatible avec davantage de fonctions chimiques considérées comme problématiques avec d'autres approches. Dans les premiers chapitres, les fondements de cette approche sont présentés. Il est démontré que la 2-mercaptopyridine en combinaison avec une source de bore appropriée forme une paire de Lewis autoassemblée qui peut catalyser la borylation de transfert d'hétéroarènes. Non seulement cette transformation fonctionne sur les mêmes substrats que les précédents systèmes à base de paires de Lewis, mais que celle-ci est compatible avec des groupements fonctionnels fragiles tels que les alcynes, les alcènes, les nitriles et les esters. Suite à ces travaux, le système catalytique est optimisé. Il est ainsi rapporté que les catalyseurs de type 2-mercaptoazole dont l'azole est un cycle à 5 membres sont plus catalytiquement performants que les azoles à 6 membres. Cette performance améliorée permet la borylation de nouveaux substrats tels que les alcynes terminaux, les alcènes riches en électrons ainsi que les thiophènes. La borylation de chacun de ces substrats est explorée en détail, et les différents mécanismes de désactivation des catalyseurs sont étudiés. Il est également démontré que la borylation de transfert se prête bien aux réactions de fonctionnalisation *in situ*, permettant ainsi une économie d'étapes. Tous les résultats présentés sont soutenus par des études computationnelles approfondies. Finalement, le mécanisme réactionnel de la borylation de transfert est exploré grâce à des expériences cinétiques et mécanistiques. D'abord, un ordre de réaction de ½ est obtenu pour le catalyseur, suggérant que celui-ci se dimérise dans les conditions réactionnelles. Également, des expériences d'entrainement démontrent une réversibilité du processus de borylation du substrat et écartent l'hypothèse de désactivation du catalyseur. Grâce à des modélisations cinétiques, il est conclu que la réversibilité de la borylation du substrat cause une forme d'inhibition par le produit qui s'accentue au fil de la réaction. Ces expériences démontrent que pour améliorer davantage le système, cette inhibition doit être combattue. L'ensemble de ces travaux démontre que les paires de Lewis autoassemblées sont des catalyseurs efficaces pour la borylation d'une grande variété de substrats qui dans certains cas ne sont pas possibles de boryler avec des catalyseurs métalliques. Qui plus est, les études mécanistiques dévoilent comment améliorer la performance de cette transformation et même contribuer à l'avancement de la catalyse grâce aux paires de Lewis. / The growing concerns regarding environmental degradation and climate change are pushing the chemical industry to look for sustainable and green ways to reduce their negative environmental impact. Catalysis presents itself as a ubiquitous tool on the path to greener processes as it allows the acceleration of chemical processes that would be difficult to achieve otherwise, thus reducing the energy demand and the waste generated. However, catalysis mostly relies on a handful of transition metals, which are often scarce, onerous and toxic. This is why there is a pressing need to develop alternative catalytic processes that do not rely on these metals. Enter Lewis pair catalysis, a promising alternative to noble metal catalysts. These compounds are made of earth-abundant elements which are less toxic and expensive than transition metals. As their name implies, they are comprised of both a Lewis acid and a Lewis base. Through the cooperation of the Lewis acid and base, these Lewis pairs can mimic metals. As such, they are greener catalysts for many key transformations. In this thesis, one of these Lewis pair catalyzed reactions is explored: isodesmic C-H borylation reaction. An isodesmic reaction, also called a transfer reaction, is a transformation in which the nature of the bonds that are broken is the same as the nature of the bonds that are formed. In this case, a B-C bond from the boron source is broken to form a C-H bond while in parallel a C-H bond is cleaved on a substrate to make a new C-B bond. Since the chemical nature of the reagents is the same as the products, these reactions often have an excellent functional group tolerance. In the first chapter of this thesis, the basics of transfer C-H borylation are laid out. It is first shown that 2-mercaptoazole compounds such as 2-mercaptopyridine can self-assemble into a Lewis pair *in situ*. This Lewis pair is then able to C-H activate and borylate electron-rich 5-membered arenes such as indoles and pyrroles, the same substrates as with previously reported Lewis pairs based borylation systems. Unlike these previous systems, sensitive functional groups like alkenes, alkynes, nitriles and esters are tolerated due to the innocuity of the boron source. Following this work, the catalytic system was optimized. As such, it was found that 5-membered 2-mercaptoazole catalysts are more catalytically performant than their 6-membered counterparts due to an improved geometry. This improved catalytic efficiency allowed expanding the scope of transfer borylation of more challenging C-H bonds, such as terminal alkynes, electron-rich alkenes and thiophenes. The borylation of each substrate is explored in-depth, including investigation of potential catalyst deactivation pathways and computational studies. It is also demonstrated that transfer borylation is a prime candidate for *in situ* functionalization reactions, going as far as only requiring a sub-stoichiometric amount of boron in boron recycling reactions. Finally, the mechanism of transfer C-H borylation was investigated using kinetic and mechanistic experiments. A reaction order of ½ was obtained for the catalyst, suggesting an underlying catalyst dimerization process was occurring that sequestered the catalyst. Furthermore, label entrainment experiments showed that the borylation of the substrate was reversible and discarded the hypothesis of catalyst deactivation. Kinetic modelling of the reaction demonstrated that the reversible borylation of that substrate was inhibiting the borylation process as the accumulation of the product in the reaction significantly decreased the rate of the reaction. This study has shown that self-assembled Lewis pairs have the capability to effectively borylate a wide range of substrates, including some that cannot be borylated by transition metals. The mechanistic experiments outlined in this research provide insight into how to enhance this chemical process and explore additional applications of Lewis pair catalysis.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Streptococcus thermophilus est une bactérie utilisée pour la fabrication industrielle de yogourts et de fromages et elle est sujette aux infections phagiques. Plusieurs mécanismes de défense contre les phages sont connus, dont le système CRISPR/Cas. Les loci CRISPR sont constitués de courtes séquences d'ADN répétées entrecoupées de séquences variables, les espaceurs. Des gènes cas et une région promotrice sont associés aux loci et la séquence homologue chez le phage est appelée le protoespaceur. Pour ce mémoire, l'effet du système CRISPRl/Cas de la souche S. thermophilus DGCC7710 sur l'ADN phagique a été étudié. Ainsi, il a été prouvé que l'ADN phagique est clivé dans les protoespaceurs par le système CRISPRl/Cas. Puis, l'analyse des différents espaceurs démontre que les motifs associés aux protoespaceurs sont plus permissifs qu'anticipé. Finalement, la méthylation de l'ADN phagique ne semble pas affecter l'immunité CRISPR/Cas ou l'acquisition d'espaceurs.