Les microalgues ont une plasticité métabolique à l'origine de la production de nombreuses molécules d'intérêt biotechnologique comme l’astaxanthine (ATX), puissant antioxydant. Les premiers essais de développements industriels ont porté sur Haematococcus pluvialis, avec des procédés où l’étape de production d’ATX est dissociée de celle de la biomasse. Ils ont mis en évidence des pertes de productivité, dont l’origine est à rechercher dans des caractéristiques de cette espèce. Ainsi, l’objectif de ce travail de thèse était de caractériser ces points de blocage dans le contexte d’une exploitation en photobioréacteurs verticaux destinés à être utilisés en façade de bâtiments. L’étude a mis en évidence que la culture de H.pluvialis en photobioréacteur (PBR) se traduit par l’induction régulière du développement d’un contaminant fongique, qui s’est révélé endémique des différentes souches testées. Pour limiter l’impact du chytride, des solutions telles que la maîtrise de conditions de culture ou l’utilisation d’antifongiques se sont révélées partiellement efficaces. Une autre solution a été de cribler des collections de souches en vue de produire le caroténoïde par une autre microalgue. Une méthodologie de criblage bidimensionnel rapide adaptée à l’induction de la caroténogenèse a permis d’identifier une espèce capable de produire de l'ATX en mode continu. Les résultats ont été validés par des cultures en PBR de 1 l . Les performances de cette souche ont été comparées à celles de H. pluvialis. Les teneurs en ATX et les productivités volumiques en biomasse et en ATX sont du même ordre de grandeur, mais avec un gain de robustesse. / Microalga possess a metabolic plasticity that leads to the production of diverse molecules of high biotechnological interest such as astaxanthin (ATX) with powerful antoixidant properties. The first trials at industrial level investigated the culture of Haematococcus pluvialis with a two step process. They highlighted productivity loss linked to the species features. Then, the aim of this phD work was to characterize this blocking point in the frame of cultivation in vertical photobioreactors aimed to be used in facades of buildings. This study showed that the culture of H.pluvialis in phtobioreactors is regulally infected with fungal parasite, which seems endemic in every tested strains of H.pluvialis. In order to limit the impact of the parasite,solutions such as control of culture conditions and application of fungicides has been developped and were partially efficient. Another solution was to screen strains collection in order to make the astaxanthin production by another microalgae. A bi-dimensional and fast screening method adapted to carotenogenesis induction is developped and identified a strain able to produce ATX in the continous mode. This conclusion is confirmed by culture in PBR of 1l , in which capacities of the two strains were compared on the basis of biomass volumetric productivity and ATX content and volumetric productivity. Eventually, the two strains display a similar biomass and ATX productivity, but with more reliability for the other strain.

Une présence en excès d'espèces réactives oxygénées induit un déséquilibre redox cellulaire pouvant conduire à des pathologies liées au stress oxydatif, notamment les pathologies cardiovasculaires. Connue et étudiée pour ses propriétés antioxydantes, l’astaxanthine, molécule de la famille des caroténoïdes, présente un intérêt thérapeutique potentiel. Cependant, sa structure chimique lui confère un caractère hydrophobe ainsi qu’une sensibilité à l’air, à la lumière et à la chaleur. Dans cette thèse, tout d’abord, un système de complexation de l’astaxanthine avec l’hydroxypropyl-b-cyclodextrine a été élaboré (CD-A). Nous démontrons que cette complexation améliore la stabilité de l’astaxanthine en solution aqueuse tout en préservant ses activités antioxydantes, mesurées par des méthodes chimiques et biologiques. L’action du CD-A semble être médiée par les voies de signalisation PTEN/AKT, Nrf2/OH1/NQO1 dans des cellules endothéliales soumises au stress oxydatif. Puis, afin de libérer l’astaxanthine in situ sur le site du stress, nous avons élaboré deux systèmes de type matriciel en PVA/dextrane ou en pullulane/dextrane chargés en CD-A. Nous avons évalué, comme preuve de concept, la faisabilité de ces dispositifs pour le traitement local de la pathologie d’ischémie/reperfusion. Les patchs de PVA/dextrane/CD-A ont montré une bonne compatibilité in vitro, ainsi qu’une grande stabilité et tenue mécanique sans modification des propriétés antioxydantes. Leur biocompatibilité in vivo et suturabilité au muscle cardiaque ont aussi été étudiées. Le deuxième système à base de pullulane/dextrane/CD-A a été évalué in vitro et in vivo dans un modèle d’ischémie/reperfusion du membre inférieur à différentes périodes d'implantation. Les résultats ont montré l’activation d’un mécanisme de défense normal lié à la présence d’un matériel étranger et une diminution de la translocation du Nrf2 pouvant indiquer un effet protecteur dans les tissus traités par le CD-A. Ce manuscrit présente des arguments en faveur du potentiel thérapeutique de systèmes de libération d’astaxanthine agissant au niveau du stress oxydatif lié aux pathologies cardiovasculaires. / An over concentration of reactive oxygen species induces a redox imbalance within the cell inducing oxidative tissue damage and leading to oxidative stress related diseases, particularly cardiovascular pathologies. Astaxanthin, a well-known and studied antioxidant molecule, member of the xanthophyll carotenoid family, presents an important therapeutic potential. However, the chemical structure confers to astaxanthin a hydrophobic character and renders it susceptible to air, light and temperate degradation. During this thesis, a carrier system based on astaxanthin inclusion within hydroxypropyl-β-cyclodextrin(CD-A) was developed. We demonstrate that after astaxanthin inclusion, not only its stability was enhanced by also the antioxidant scavenging capabilities were preserved, confirmed by chemical and biological tests. The action of CD-A seems to be mediated by PTEN/AKT, Nrf2/OH1/NQO1 signaling pathways of endothelial cells submitted to oxidative stress. Then, two systems based on PVA/dextran and Pullulan/Dextran loaded within CD-A were evaluated for astaxanthin in situ delivery in the stressed environment. The feasibility of using these systems in the local treatment of ischemia/reperfusion injury was evaluated as a proof of concept. PVA/Dextran patches showed good in vitro compatibility, high mechanical and stability properties, while preserving CD-A antioxidant capabilities, also the path suturability to the cardiac muscle and the in vivo biocompatibility were studied. The second system based on pullulan/dextran scaffolds were evaluated in vitro and in vivo in an ischemic/reperfusion model at different implantation periods. Results showed an inner body defense mechanism to foreign materials. Additionally, the Nrf2 translocation could indicate a protective effect of CD-A in treated tissues. This manuscript provides a support evidence of the therapeutic potential of CD astaxanthin delivery system, to act against oxidative stress linked to cardiovascular conditions.

Les champs électriques pulsés (CEP) offrent un réel intérêt dans le cadre de la traite des microalgues. En effet, ils permettent l'extraction sélective des composés hydrosolubles ou l'utilisation de solvants biocompatibles pour récolter les molécules hydrophobes. La viabilité des microalgues peut ainsi être conservée. L'objectif de ce travail de thèse est de définir des conditions de traitement permettant à la fois l'extraction des composés d'intérêt et le maintien de la viabilité des microalgues. Le modèle d'étude est la microalgue verte Haematococcus pluvialis. Au stade végétatif, celle-ci contient près d'un tiers de son poids de matière sèche en protéines et en conditions stressantes, elle accumule de l'astaxanthine, un caroténoïde à haute valeur ajoutée.L'application de CEP de 1 kV.cm-1 permet de collecter 50 % des protéines extractibles par broyage avec des microbilles. La mesure de cinq paramètres biologiques suite à ce traitement a mis en évidence que les cellules retrouvaient un état physiologique comparable à celui de microalgues non traitées au bout de 72 h. Cette condition de traitement constitue donc un bon compromis entre l'extraction des protéines et la survie des microalgues, ce qui renforce la faisabilité d'une traite de microalgues par CEP.Dans le cadre de l'extraction de l'astaxanthine, la paroi très résistante des kystes constitue le principal verrou à lever. Une optimisation des conditions de traitement (en particulier de la force des impulsions) et du stade cellulaire traité représentent les deux principales perspectives à étudier pour que l'utilisation des CEP dans le cadre de l'extraction de l'astaxanthine soit pertinente. / Pulsed electric fields (PEF) offer a real interest for microalgae milking. Indeed, they allow the selective extraction of water-soluble compounds or the use of biocompatible solvents to harvest the hydrophobic molecules. The viability of microalgae can thus be maintained. The aim of this PhD thesis work is to define the treatment conditions allowing both the extraction of compounds of interest and the maintenance of the microalgae viability. The biological model is the green microalga Haematococcus pluvialis. At the vegetative stage, it contains nearly one third of its dry matter weight in proteins and under stressful conditions, it accumulates astaxanthin, a high added value carotenoid.The application of PEF of 1 kV.cm-1 allows to collect 50% of the proteins extractable by bead milling. The measurement of five biological parameters highlights that treated cells recover a physiological state comparable to that of untreated microalgae after 72h. This treatment condition constitutes therefore a good compromise between the protein extraction and the survival of the microalgae, which reinforces the feasibility of microalgae milking by PEF.Within the context of astaxanthin extraction, the high resistance of the cell wall of the cysts constitutes the main limitation. Optimization of the treatment conditions (particularly pulse strength) and the cellular stage to treat represent the two main perspectives to study for the use of PEF for astaxanthin extraction to be relevant.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les copépodes dominent la biomasse du mésozooplancton des régions arctiques et subarctiques, où lumière, glace et production primaire varient fortement selon les saisons. En transformant le carbone fixé par les microalgues en réserves lipidiques pour survivre l'hiver, les Calanus spp. constituent une source d'énergie cruciale pour les poissons, oiseaux et mammifères marins. Historiquement, les copépodes sont étudiés par un comptage taxonomique après un échantillonnage par filets. Cette thèse propose un autre paradigme en combinant l'utilisation d'outils d'imagerie plus récents et une approche dite « par traits fonctionnels ». Les traits fonctionnels sont des propriétés mesurables à l'échelle individuelle et influençant le succès écologique des organismes (i.e. taille, régime trophique, migration verticale). Ils sont partagés par plusieurs espèces et peuvent être reliés à des fonctionnalités des écosystèmes comme l'export de carbone ou l'énergie disponible pour les réseaux trophiques par exemple. Comme une majorité des traits possèdent une signature morphologique, nous les avons définis sur deux types d'images individuelles du plancton, complémentaires et couramment utilisées : des images in situ de l'Underwater Vision Profiler (UVP) et des images en couleur prises lors d'observations au stéréomicroscope. L'objectif de cette thèse est de comprendre comment les traits fonctionnels des copépodes, identifiés sur des images, peuvent être reliés aux dynamiques environnementales et au fonctionnement des écosystèmes arctiques et subarctiques. Dans le Chapitre 1, nous analysons des images in situ prises par l'UVP au moment de la fonte printanière de la banquise dans l'arctique canadien. Des variables morphologiques sont utilisées pour projeter les images dans un espace statistique, et les axes synthétisent les variations morphologiques en trois traits continus : la taille, l'opacité (qui nous renseigne sur les structures pigmentées), et la complexité du contour (indiquant probablement un taux d'activité par la visibilité des appendices). Cette analyse exploratoire a révélé des traits nouveaux, dont les variations étaient fortement corrélées à la fonte de la banquise et à l'efflorescence des algues. Plusieurs arguments indiquent que les maxima d'opacité des individus peuvent être attribués à la présence d'astaxanthine, un pigment caroténoïde rouge. Dans le Chapitre 2, une revue de la littérature a mis en évidence les conditions écologiques propices à la coloration des copépodes pour divers écosystèmes aquatiques à l'échelle globale. Nous démontrons que la pigmentation rouge peut participer au succès des individus (croissance, survie, reproduction) grâce aux propriétés antioxydantes de l'astaxanthine. Comme la pigmentation semble ajustable à de courtes échelles temporelles et avantageuse dans diverses conditions environnementales (lumière intense, basses températures et couvert de glace, ou grandes profondeurs), nous pensons qu'elle peut être considéré comme un de "couteau-suisse" de protection métabolique. Dans le Chapitre 3, une méthode de déconvolution de la couleur de l'astaxanthine a été utilisée pour produire un indice de rougeur sur des images de copépodes arctiques observés au stéréomicroscope. L'indice a été validé par comparaison avec une quantification chimique des pigments, et peut être utilisé pour des images prises dans diverses conditions grâce à une étape préalable de calibration des canaux de couleur. Cette thèse montre qu'il est possible d'extraire un maximum d'information à partir d'une image de plancton pour dégager des tendances écologiques sur de grands jeux de données, tout en gardant accès à la variabilité interindividuelle. Utiliser les traits définis ici (taille, pression de broutage, taux d'antioxydants), en combinaison avec d'autres outils, pourrait participer à la compréhension du fonctionnement des réseaux trophiques. / Copepods dominate the mesozooplankton biomass of arctic and sub-arctic regions, where light, ice and primary production are highly variable according to the season. By converting carbon fixed by microalgae into lipid reserves for winter survival, Calanus spp. are a crucial source of energy for fish, birds and marine mammals. Historically, copepods have been studied by taxonomic counting after net sampling. This thesis proposes an alternative paradigm by combining the use of more recent imaging tools and functional trait-based approach. Functional traits are properties that are measurable at the individual scale and influence the ecological success of organisms (i.e. size, trophic regime, vertical migration). They are shared by several species and can be related to ecosystem functionalities such as carbon export or energy available for food webs for example. As a majority of them have a morphological signature, we defined them on two types of individual plankton images, complementary and commonly used: in situ images from the Underwater Vision Profiler (UVP) and color images taken during stereomicroscope observations. The objective of this thesis is to understand how functional traits of copepods, identified in images, can be related to environmental dynamics and functioning of arctic and sub-arctic ecosystems. In Chapter 1, we analyze in situ images taken by the UVP at the time of spring melt in the Canadian arctic. Morphological variables are used to project the images into a statistical space, and the axes synthesize morphological variation into three continuous features: size, opacity (which tells us about pigmented structures), and complexity of contour (likely indicating feeding activity through appendage visibility). This exploratory analysis revealed novel traits, having variations strongly correlated with sea ice melt and algal blooms phenology. Several arguments indicate that opacity maxima in individuals can be attributed to the presence of astaxanthin, a red carotenoid pigment. In Chapter 2, a review of the literature highlighted the ecological conditions conducive to copepod coloration for various aquatic ecosystems on a global scale. We demonstrate that red pigmentation can participate in the success of individuals (growth, survival, reproduction) through the antioxidant properties of astaxanthin. Since pigmentation appears to be adjustable on short time scales and advantageous under various environmental conditions (intense light, low temperatures and ice cover, or great depths), we believe it can be considered as a "swiss army knife" of metabolic protection. In Chapter 3, an astaxanthin color deconvolution method was used to produce a redness index on stereomicroscope images of arctic copepods. The index was validated by comparison with a chemical quantification of the pigments, and can be used for images taken under various conditions thanks to a prior calibration step of the color channels. This thesis shows that it is possible to extract a maximum amount of information from a plankton image to identify ecological trends on large datasets, while keeping access to inter-individual variability. Using the traits defined here (size, grazing pressure, antioxidant levels), in combination with other tools, could participate in understanding the functioning of food webs.