La matière des eaux usées urbaines (ERU) subit des transformations au sein des filières « eau » et « boue » des stations d’épuration (STEP). Une fraction de la matière organique est systématiquement retrouvée en fin de traitement biologique sous forme particulaire et est, à ce titre, identifiée comme non biodégradable et notée XU. L’origine « exogène » i.e. provenant de l’ERU brute, ou « endogène », i.e, résidus générés par les processus microbiens, et la contribution quantitative des composés accumulés dans cette fraction XU ne sont pas identifiables simplement. Par ailleurs, si une faible bioaccessibilité et/ou une inadéquation entre leur nature chimique et le pool enzymatique présent peuvent être suspectées, les raisons de leur caractère réfractaire sont mal connues et constituent un frein pour optimiser la valorisation de la boue par digestion anaérobie. S’intéressant spécifiquement à la fraction organique réfractaire d’une boue d’épuration, ce travail de thèse s’est donc attaché à définir son origine, à quantifier sa proportion selon différentes conditions opératoires de STEP et à caractériser ses composés d’un point de vue physique et chimique. Une approche filière a tout d’abord été menée pour analyser la relation entre l’origine et la biodégradabilité d’une boue. Deux approches de caractérisation chimique ont été mises en œuvre : (i) Analyse directe de l’empreinte chimique globale par spectrophotométrie infrarouge (IR) en réflexion totale atténuée (ATR) ; (ii) Analyses moléculaires (fluorescence 2D et 3D, UV 210 et 280 nm, dosages biochimiques) de fractions solubilisées après déconstruction thermo-chimique de l’agrégat réfractaire. Associée à des analyses statistiques, l’utilisation de l’empreinte IR s’est révélée pertinente pour différencier chimiquement différentes matrices réfractaires et suivre l’évolution des empreintes au fil des unités de traitement d’épuration. Par ailleurs, l’utilisation combinée de techniques analytiques complémentaires a permis une caractérisation plus précise des familles de molécules impliquées. Enfin, l’empreinte IR s’est avéré un outil pertinent de caractérisation de l’effet d’un traitement thermique (60 à 95°C) ou chimique (hydrolyse acide et alcaline) sur la chimie de la fraction XU / Organic matter of urban wastewaters (WW) is modified all along the treatment units of a wastewater treatment plant (WWTP). A fraction of the organic matter systematically remains at the end of biological treatment, mainly aggregated in particulate form. It is thus classified as refractory organics, noticed XU. The “exogenous” origin (e.g. originated from the urban WW) or “endogenous” one (e.g. residues produced by the microbial processes) and the quantitative contribution of compounds accumulated into the XU fraction are difficult to identify. Limited bioaccessibility and/or inappropriate chemical characteristics can be suspected. However, the reasons of their non-biodegradability are not clearly identified that limits an optimal valorization of sewage sludge by anaerobic digestion (AD). Focusing specifically on the refractory COD fraction of sewage sludge, this research work attempts to define its origin, to quantify its proportion depending on the applied operating conditions in the WWTP and to characterize the physical and chemical properties of its different compounds.A first approach is carried out to analyze the relationship between the WWTP operating conditions and the biodegradability of various sludges. The scientific approach is based on (1) the use of sludges of contrasted composition (fed with raw wastewater, or pre-settled WW, diluted primary sludge or synthetic influent, and produced with a solid retention time in the range of 2 and 70 days), and, on (2) the comparative analysis of physical, biological and chemical characteristics for refractory matrices resulting from their ultimate anaerobic digestion. Refractory COD fractionations are estimated comparing experimental and ASM1 predicted data. While 85% of anaerobic refractory organic matter remain aggregated, two characterization approaches were applied: (i) direct analysis (on unmodified particulate matter) of the global chemical fingerprint by infrared spectroscopy (IR) on attenuated total reflexion (ATR); (ii) molecular analysis (fluorescence 2D and 3D, UV 210 and 280 nm, biochemical assays) of solubilized fractions obtained by thermo-chemical solubilisation of the refractory aggregate.Combined with statistical tools (Hierarchical Ascendant Classification, HAC and Principal Component Analysis, PCA), infrared fingerprints appear relevant to chemically discriminate refractory residues of the selected sludges and hence to follow the evolution of the chemistry of matrices along the treatments chains. Main factors involved in the chemical fingerprint of XU are highlighted. For example the major effect of the chemistry of exogenic refractory compounds (XU,inf) on the XU chemical fingerprint is shown. In addition, our work underlines the interest of using complementary analytical techniques to get a more accurate chemical characterization of the molecules involved in the ultimate refractory matrices. For example, a significant contribution of proteins and humics on the chemistry of refractory aggregate could be observed with a clear contribution of bacterial compounds to protein refractory fraction.Finally, the infrared fingerprint was used to characterize the effect of heat treatments (60-95°C) or chemical treatments (acid and alkaline hydrolysis) on the chemistry of XU. In perspective, this approach could be extended to other treatments (e.g. high temperature, ozonation, enzymatic hydrolysis) to assess their effects and to define their optimal operating point for degradation of refractory compounds. Furthermore, the possibility to discriminate chemical fingerprints of different refractory residues could also be exploited. Acquiring spectral data banks could better define the scope of application of treatment units combined with the anaerobic digestion of sewage sludge.

Le champ électrique d'une puissance suffisante peut provoquer une augmentation de conductivité et perméabilité de la membrane cellulaire. L'effet est connu comme l'électroporation, attribuée à la création de voies aqueuses dans la membrane. Quantifier le transport de la matière dans le cadre d'électroporation est un objectif important. Comprendre ces processus a des ramifications dans l’extraction du jus ou l’extraction sélective des composés de cellules végétales, l'amélioration de l'administration de médicaments, et des solutions aux défis environnementaux. Il y a un manque de modèles qui pourraient être utilisés pour modéliser le transport de la matière dans les structures complexes (tissus biologiques) par rapport à l'électroporation. Cette thèse présente une description mathématique théorique (un modèle) pour étudier le transport de la matière et le transfert de la chaleur dans tissu traité par l’électroporation. Le modèle a été développé en utilisant les lois de conservation et de transport et permet le couplage des effets de l'électroporation sur la membrane des cellules individuelles au transport de la matière ou la chaleur dans le tissu. Une solution analytique a été trouvée par une simplification, mais le modèle peut être étendu avec des dépendances fonctionnelles supplémentaires et résolu numériquement. La thèse comprend cinq articles sur l'électroporation dans l'industrie alimentaire, la création de modèle pour le problème de diffusion, la traduction du modèle au problème lié à l’expression de jus, validation du modèle, ainsi que des suggestions pour une élaboration future du modèle. Un chapitre supplémentaire est dédié au transfert de la chaleur dans tissu. / An electric field of sufficient strength can cause an increase of conductivity and permeability of cell membrane. Effect is known as electroporation and is attributed to creation of aqueous pathways in the membrane. Quantifying mass transport in connection with electroporation of biological tissues is an important goal. The ability to fully comprehend transport processes has ramifications in improved juice extraction and improved selective extraction of compounds from plant cells, improved drug delivery, and solutions to environmental challenges. While electroporation is intensively investigated, there is a lack of models that can be used to model mass transport in complex structures such as biological tissues with relation to electroporation. This thesis presents an attempt at constructing a theoretical mathematical description – a model, for studying mass (and heat) transfer in electroporated tissue. The model was developed employing conservation and transport laws and enables coupling effects of electroporation to the membrane of individual cells with the resulting mass transport or heat transfer in tissue. An analytical solution has been found though the model can be extended with additional dependencies to account for the phenomenon of electroporation, and solved numerically. Thesis comprises five peer-reviewed papers describing electroporation in the food industry, model creation for the problem of diffusion, translation of the model to the mathematically-related case of juice expression, model validation, as well as suggestions for possible future development, extension, and generalization. An additional chapter is dedicated to transfer of heat in tissue.

Le présent projet vise à analyser l'influence de la multivalence dans les interactions sucres-lectines. En collaboration avec des équipes externes, une étude par microscopie à force atomique (AFM) de l'interaction entre des ligands synthétiques de différentes valences et leurs lectines spécifiques a été entreprise. Dans le cadre de cette étude, une première caractérisation fondamentale de l'interaction sucre-lectine a été menée. Cette caractérisation concerne plus particulièrement l'influence de la multivalence sur les forces d'adhésion et la dynamique de l'interaction entre les ligands synthétiques multivalents et une lectine modèle, la lectine d'arachide PNA. Une seconde caractérisation, d'aspect plus appliqué, concerne l'utilisation des ligands synthétiques multivalents dans une approche thérapeutique antiadhésive pour le traitement des infections urinaires chroniques dues à Escherichia coli uropathogène (UPEC). Le caractère innovant des ligands (obtenus par une synthèse chimique rationnelle) ainsi que l'approche utilisée pour caractériser leurs interactions avec les lectines à l'échelle moléculaire par AFM témoigne de l'originalité du projet. / This project aims to analyze the influence of multivalency in sugar-lectin interactions. In collaboration with external teams, a study by atomic force microscopy (AFM) of the ineraction between synthetic ligands of different valences and their specific lectins was conducted. In this study, a first fundamental characterization of sugar-lectin interaction was investigated. This characterization concerns more particularly the influence of multivalency on the adhesion forces and the dynamics of interaction between multivalent ligands and synthetic model lectin, peanut lectin PNA. A second characterization, of a more applied aspect, concerns the use of synthetic multivalent ligands in a new therapeutic approach, based on anti-adhesion, for the treatment of chronic urinary infections caused by uropathogenic Escherichia coli (UPEC). The innovative nature of the ligands (obtained by rational chemical synthesis) and the approach used to characterize their interactions with lectins at the molecular level by AFM reflects the originality of the project.

La diffusion multiple de la lumière(DWS) est une technique qui permet de sonder la dynamique interne de milieux opaques et concentrés à des fréquences élevées. Elle a été utilisée pour déterminer les propriétés viscoélastiques de ces milieux. Elle a l'avantage d'être non destructive, rapide et sensible. Ce travail a pour objectif l'étude des tissus biologiques mous par DWS. La première étape est la mise en place du dispositif expérimental. Afin d'évaluer les limites de la technique, des études successives ont été réalisées sur des matériaux de complexité croissante (une suspension, le lait et une mousse) tendant vers la complexité structurale des tissus biologiques. Pour la suspension et le lait, la théorie de DWS peut s'appliquer et permet de mesurer avec une bonne précision leur viscosité. Les limites de DWS pour évaluer la viscosité sont atteintes avec la mousse dont la structure complexe est proche de celle des tissus biologiques. Enfin, le cortex rénal, le parenchyme hépatique et le cerveau de porc ont été étudiés. La théorie appliquée pour les milieux précédents ne permet pas de remonter à leur viscosité. Mais la DWS a permis de suivre leur microstructure au cours de la déshydratation et de la dégénérescence. Pour tous ces milieux la répétabilité, la reproductibilité, la variabilité et l'effet des conditions expérimentales ont été évalués. La DWS pourrait être utilisée pour étudier l'effet de la température et de la congélation sur le spectre de DWS des tissus biologiques ou combinée à la rhéologie pour suivre l'évolution des spectres de DWS au cours d'un cisaillement / Diffusing Wave Spectroscopy (DWS) is a technique that allows to probe the internal dynamics of opaque media and concentrated at high frequencies. It has been used to determine the viscoelastic properties of these media. It has the advantage of being nondestructive, rapid and sensitive. This work aims to study soft biological materials by DWS. The first step is setting up of the experimental device. To evaluate the limits of the art, successive studies were conducted on materials of increasing complexity (a suspension, milk and a foam) tending to the structural complexity of biological tissues. Concerning the suspension and milk, two concentrated media, and mono-dispersed in which the particles are in Brownian motion, DWS allowed to measure with good precision their viscosity. The limits of DWS to evaluate the viscosity of the medium are achieved with the foam which the complex structure is similar to that of soft biological tissues. Finally, the renal cortex, the hepatic parenchyma and porcine brain were studied. The theory applied to previous media does not allow to calculate viscosity. But the DWS allowed us to follow their microstructure during dehydration and degeneration. For all these media, repeatability, reproducibility, variability and effect of experimental conditions were evaluated. The DWS could be used to study the effect of temperature and freezing on the DWS spectrum of biological tissues, or combined with rheology to monitor the evolution spectra DWS during shear

Proteins are the actual actors in the (normal or disrupted) physiological processes and immunohistochemistry (IHC) is a very efficient mean of visualizing and locating protein expression in tissue samples. By comparing pathologic and normal tissue, IHC is thus able to evidence protein expression alterations. This is the reason why IHC plays a grow- ing role to evidence tissue-based biomarkers in clinical pathology for diagnosing var- ious diseases and directing personalized therapy. Therefore, IHC biomarker evaluation significantly impacts the adequacy of the therapeutic choices for patients with serious pathologies, such as cancer. However, this evaluation may be time-consuming and dif- ficult to apply in practice due to the absence of precise positive cut-off values as well as staining (i.e. protein expression) heterogeneity intra- and inter-samples. Quantifying IHC staining patterns has thus become a crucial need in histopathology. For this task, automated image analysis has multiple advantages, such as avoiding the evidenced ef- fects of human subjectivity. The recent introduction of whole-slide scanners opened a wide range of possibilities for addressing challenging image analysis problems, includ- ing the identification of tissue-based biomarkers. Whole-slide scanners are devices that are able to image whole tissue slides at resolutions up to 0.1 micrometers per pixels, often referred to as virtual slides. In addition to quantification of IHC staining patterns, virtual slides are invaluable tools for the implementation of digital pathology work- flows. The present work aims to make several contributions towards this current digital shift in pathology. Our first contribution was to propose an automated virtual slide sharpness assessment tool. Although modern whole-slide scanner devices resolve most image standardization problems, focusing errors are still likely to be observed, requiring a sharpness assessment procedure. Our proposed tool will ensure that images provided to subsequent pathologist examination and image analysis are correctly focused. Virtual slides also enable the characterization of biomarker expression heterogeneity. Our sec- ond contribution was to propose a method to characterize the distribution of densely stained regions in the case of nuclear IHC biomarkers, with a focus on the identification of highly proliferative tumor regions by analyzing Ki67-stained tissue slides. Finally, as a third contribution, we propose an efficient mean to register virtual slides in order to characterize biomarker colocalization on adjacent tissue slides. This latter contribution opens new prospects for the analysis of more complex questions at the tissue level and for finely characterizing disease processes and/or treatment responses./Les protéines sont les véritables acteurs des processus physiologiques (normaux ou per- turbés) et l’immunohistochimie (IHC) est un moyen efficace pour visualiser et localiser leur expression au sein d’échantillons histologiques. En comparant des échantillons de tissus pathologiques et normaux, l’IHC permet de révéler des altérations dans des pro- fils d’expression protéique. C’est pourquoi l’IHC joue un rôle de plus en plus important pour mettre en évidence des biomarqueurs histologiques intervenant dans le diagnos- tic de diverses pathologies et dans le choix de thérapies personnalisées. L’évaluation de l’expression de biomarqueurs révélés par IHC a donc des répercussions importantes sur l’adéquation des choix thérapeutiques pour les patients souffrant de pathologies graves, comme le cancer. Cependant, cette évaluation peut être chronophage et difficile à appliquer en pratique, d’une part, à cause de l’hétérogénéité de l’expression protéique intra- et inter-échantillon, d’autre part, du fait de l’absence de critères de positivité bien définis. Il est donc devenu crucial de quantifier les profils d’expression de marquages IHC en histopathologie. A cette fin, l’analyse d’image automatisée possède de multiples avantages, comme celui d’éviter les effets de la subjectivité humaine, déjà démontrés par ailleurs. L’apparition récente des numériseurs de lames histologiques complètes, ou scanners de lames, a permis l’émergence d’un large éventail de possibilités pour traiter des problèmes d’analyse d’image difficiles menant à l’identification de biomar- queurs histologiques. Les scanners de lames sont des dispositifs capables de numériser des lames histologiques à une résolution pouvant atteindre 0,1 micromètre par pixel, expliquant la dénomination de "lames virtuelles" des images ainsi acquises. En plus de permettre la quantification des marquages IHC, les lames virtuelles sont des outils indis- pensables pour la mise en place d’un flux de travail numérique en pathologie. Le travail présenté ici vise à fournir plusieurs contributions au récent changement de cap vers une numérisation de la discipline médicale qu’est l’anatomie pathologique. Notre première contribution consiste en un outil permettant d’évaluer automatiquement la netteté des lames virtuelles. En effet, bien que les scanners de lames résolvent la plupart des pro- blèmes liés à la standardisation de l’acquisition, les erreurs de focus restent fréquentes, ce qui nécessite la mise en place d’une procédure de vérification de la netteté. L’outil que nous proposons assurera la netteté des images fournies à l’examen du pathologiste et à l’analyse d’image. Les lames virtuelles permettent aussi de caractériser l’hétérogénéité de l’expression de biomarqueurs. Ainsi, la deuxième contribution de ce travail repose sur une méthode permettant de caractériser la distribution de régions densément marquées par des biomarqueurs IHC nucléaires. Pour ce travail, nous nous sommes concentrés sur l’identification de régions tumorales présentant une forte activité proliférative en analysant des lames virtuelles révélant l’expression de la protéine Ki67. Finalement, la troisième contribution de ce travail fut de proposer un moyen efficace de recaler des lames virtuelles dans le but de caractériser la colocalisation de biomarqueurs IHC révé- lés sur des coupes de tissu adjacentes. Cette dernière contribution ouvre de nouvelles perspectives pour l’analyse de questions complexes au niveau histologique ainsi que la caractérisation fine de processus pathologiques et de réponses thérapeutiques. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

RESUME GENERAL<p><p>Contexte :une association entre exposition prolongée aux champs magnétiques (CM) d’extrêmement basses fréquences (ELF) et risque sanitaire a été établie pour la leucémie infantile (CM 50/60 Hz de l’électricité, RR = 2,0 pour ≥ 0,4 µT d‘intensité moyennée dans le temps) et est suggérée pour le décès par maladie d’Alzheimer (CM 50/60 Hz, CM 16,7 Hz des voies ferrées pour 21 µT d’intensité moyennée dans le temps) et pour certaines hémopathies chez l’adulte (CM 16,7 Hz). Ces associations restent inexpliquées à ce jour. Sur base d’observations animales (effets des CM ELF sur la sécrétion de mélatonine) d’une part, et de la sensibilité magnétique confirmée des cryptochromes (régulateurs des biorythmes) d’autre part, il a été suggéré que ces associations puissent être dues à une perturbation des biorythmes par les CM ELF. Selon les instances internationales, une intensité > 1 mT est requise pour l’existence d’effets biologiques. <p>Objectifs et méthode :sur base d’une revue exhaustive de la littérature et de modèles théoriques reconnus, le présent travail développe certains mécanismes possibles pour un effet perturbateur des biorythmes par les CM ELF. L’impact en santé publique de cette hypothèse est ensuite évalué. Enfin, des protocoles sont proposés pour sa mise à l’épreuve, tenant compte des mécanismes envisagés. <p>Résultats :la possibilité existe d’une interaction des oscillations ELF de l’intensité et/ou de l’orientation du CM (somme vectorielle du CM ELF et du CM terrestre ou CMT) avec les cryptochromes rétiniens. Chez l’animal magnétosensible (dont le rongeur), une perturbation des biorythmes pourrait être consécutive à un mécanisme non spécifique de perturbation sensorielle. Toute observation animale pourrait donc ne pas être extrapolable à l’Homme. Chez ce dernier, une perturbation des biorythmes pourrait être causée par les oscillations de l’intensité du CM (peut- être dès < 100 µT d’intensité de CM ELF). Une telle perturbation pourrait aussi être causée par les variations spatiales de l’intensité du CMT qui existent dans l’environnement résidentiel (proximité de structures métalliques). Par ailleurs, dans l’éventualité de l’existence, chez l’Homme également, d’une sensibilité directionnelle basée sur les cryptochromes rétiniens, les oscillations de l’orientation du CM pourraient alors aussi interférer avec ces cryptochromes (peut-être dès ≤ 10 µT). Dans l’hypothèse où une telle interférence affecte les biorythmes, seules pourraient alors être concernées les oscillations dont l’amplitude atteint plusieurs degrés d’angle. Un tel mécanisme ne pourrait donc s’appliquer à la relation entre CM ELF et leucémie infantile que dans l’éventualité où les intensités les plus élevées (+ 1 à 2 SD) de CM ELF y jouent un rôle. Au cas où l’hypothèse de la perturbation des biorythmes par les CM ELF se voyait confirmée, d’autres troubles de santé seraient alors concernés et d’autres sources de CM seraient en cause, tels les CM statiques d’intensité variable émis par les lignes de transport électrifié. Les paramètres d’exposition considérés devraient inclure l’orientation relative CM ELF/CMT, mais aussi l’intensité locale du CMT (facteur à la fois déterminant et confondant dans la présente hypothèse). L’expérimentation animale devrait investiguer l’expression des clock genes. L’expérimentation humaine devrait investiguer les biorythmes chez l’enfant. Et l’épidémiologie devrait investiguer l’incidence de troubles liés à une perturbation des biorythmes en relation avec l’exposition aux CM ELF ainsi qu’aux variations locales de l’intensité du CMT. <p>Conclusions :malgré les incertitudes persistantes quant aux fonctions précises des cryptochromes de la rétine humaine et quant à l’exactitude des modèles théoriques qui décrivent les interactions entre CM et cryptochromes, certains mécanismes paraissent possibles pour une interaction entre CM ELF et biorythmes. En l’absence persistante d’alternative valide pour l’explication de l’association entre CM ELF et leucémie infantile, l’hypothèse de la perturbation des biorythmes par ces CM paraît devoir être investiguée plus avant, mais en tenant compte des variations locales d’intensité du CMT. <p>Background: An association between prolonged exposure to extremely low frequency (ELF) magnetic fields (MF) and health risk has been established for childhood leukemia (50/60 Hz MF of electricity, RR = 2.0 for ≥ 0.4 µT of time-averaged intensity) and is suggested for death by Alzheimer's disease (50/60 Hz MF, 16.7 Hz MF of railways at 21 µT of time-averaged intensity) and for some hematologic malignancies in adults (16.7 Hz MF). These associations remain unexplained so far. Based on animal studies (effects of ELF MF on melatonin secretion) on the one hand, and on the confirmed magnetic sensitivity of cryptochromes (regulators of biorhythms) on the other hand, it has been suggested that these associations may be due to a disruption of biorhythms by ELF MF. From current data, however, biological effects seem only possible at > 1 mT of intensity.<p>Objectives and methods: on the basis of an exhaustive literature review and with use of recognized theoretical models, this paper develops some possible mechanisms for disruption of biorhythms by ELF MF. The public health impact of this hypothesis is then evaluated. Finally, protocols are proposed for the testing of it, with taking into account the proposed mechanisms.<p>Results: an interaction seems possible between ELF oscillations of the intensity and/or the orientation of the ambient MF (the vector sum of both the ELF MF and the geomagnetic field or GMF) with retinal cryptochromes. In magnetosensitive animals (including rodents), disruption of biorhythms may then be secondary to a non-specific mechanism of sensory disturbance. All animal observation could therefore not be extrapolated to humans. In the latter, on his turn, a disruption of biorhythms may be caused by the oscillations of the MF intensity (perhaps from <100 µT of ELF MF intensity). Such disruption could also be caused by spatial variations of the intensity of the GMF that exist in residential environment (near steel structures). Moreover, in case of the existence in humans (like in animals) of a directional sensitivity based on retinal cryptochromes, then the oscillations of the MF orientation also could interfere with these cryptochromes (perhaps from ≤ 10 µT). In the event that such interference affects biorhythms, only oscillations of several degrees of amplitude would then be concerned. As a consequence, such a mechanism could apply to the relation between ELF MF and childhood leukemia only in the event that the highest MF intensities (Mean + 1-2 SD) also play a role in that relation. In the event the hypothesis of disruption of biorhythms by ELF MF is confirmed, other health problems would be concerned and other kind of MF would be involved, such as the static MF of variable intensity that are emitted by the lines of electrified transport. The considered exposure parameters should include the relative orientation of ELF MF and GMF, but also the local intensity of GMF (both determining factor and confounder in this case). Animal experiments should investigate the expression of clock genes. Human experimentation should investigate biorhythms in children. And epidemiology should investigate the incidence of disorders related to disruption of biorhythms in relation to exposure to ELF MF as well as to local variations in the intensity of the GMF.<p>Conclusions: Despite the persisting uncertainties about the precise functions of retinal cryptochrome as well as about the accuracy of the theoretical models that describe the interactions between MF and cryptochromes, some mechanisms seem possible for an interaction between ELF MF and biorhythms. In the persisting absence of valid alternative explanation for the association between childhood leukemia and ELF MF, the hypothesis of biorhythm disturbance by ELF MF deserves further investigation, however with taking into account local intensity variations of the GMF.<p> / Doctorat en Sciences de la santé publique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objectif général de la thèse est d'examiner la variation et l'évolution des traits fonctionnels<p>susceptibles de sous-tendre des variations de capacité d'invasion, au sein du complexe de plantes envahissantes F. japonica, F. xbohemica et F. sachalinensis en Belgique. Ces trois taxons d'origine asiatique présentent un intérêt majeur en écologie des invasions car ils possèdent une aptitude à l'invasion contrastée bien qu'ils fassent partie du même complexe hybride, aient la même forme de vie, et la même distribution géographique. <p>En particulier, la thèse examine si Fallopia sachalinensis présente une combinaison particulière de traits fonctionnels liés à la capture et à l'utilisation des ressources susceptible d'expliquer sa capacité d'invasion plus faible. La thèse tâche également de déterminer si les hybrides sont intermédiaires entre les parents pour ces traits ou manifestent des propriétés originales susceptibles<p>d'entraîner un comportement plus invasif. Les traits fonctionnels pris en considération comprennent notamment l'architecture des parties aériennes, le SLA (surface foliaire spécifique), les teneurs foliaires en nutriments, la vitesse de décomposition des litières et la plasticité phénotypique de ces caractères. La stratégie scientifique repose sur trois approches complémentaires:<p>- des comparaisons in situ entre les taxons dans des sites ou ils coexistent;<p>- des cultures en conditions semi-contrôlées au jardin expérimental;<p>- une expérience de décomposition des litières.<p>Les résultats mettent en lumière la stratégie unique de capture et d'utilisation des ressources<p>de F. sachalinensis, ainsi que ses réponses plastiques moins adaptées (moins d'accroissement de la hauteur et de la surface foliaire totale en réponse a l'ombre, et de la biomasse et du nombre de tiges en réponse a une augmentation de la fertilité du sol). Cette stratégie contribue a sa capacité d'invasion plus faible en réduisant son efficacité d'utilisation et de capture de la lumière et des nutriments. D'autre part, l'hybride ne présente pas de valeurs transgressives pour les traits étudiés et est similaire à F. japonica en termes de traits et de plasticité. Toutefois, le nombre limité de<p>populations hybrides étudiées ne nous permet pas d'en conclure que l'hybride ne présente pas de<p>variation transgressive a l'échelle européenne. De plus, la variabilité génétique de l'hybride pourrait permettre une évolution future de sa capacité d'invasion, ce qui en fait une priorité pour la prévention et la gestion a l'échelle mondiale. / The objective of the thesis is to examine variation and evolution of functional traits that are susceptible to underlie variation of invasiveness in the invasive complex of Fallopia japonica, F. xbohemica and F. sachalinensis in Belgium. These three taxa originate from Asia and present a major interest in invasion ecology since they display contrasting invasiveness although they are part of the same hybrid complex, have the same life form and distribution area.<p>In particular, we ask if F. sachalinensis displays a specific combination of functional traits related to resource capture and use that is susceptible to explain its lower invasiveness. We also try to determine if the hybrids have intermediary trait values or if they show specific properties susceptible to increase their invasiveness. Functional traits measured include architecture, SLA (specific leaf area), nutrient foliar concentrations, litter decomposition rate and phenotypic plasticity of the same traits. Scientific strategy uses three different methods:<p>- in situ comparisons between the taxa in sites where they coexist;<p>- common gardens with semi controlled conditions;<p>- litter decomposition experiment.<p>Results show the unique strategy of F. sachalinensis concerning resource capture and use, as well as its less adaptive plastic responses (smaller increase of height and total leaf area in response to shade, and of biomass and shoot number in response to soil fertility). This strategy contributes to its lower invasiveness through a reduction in light and nutrient capture and use efficiency. The hybrid does not display transgressive variation for the studied traits and is similar to F. japonica concerning its traits and its plasticity. However, the limited number of hybrid accessions does not allow to conclude that the hybrid presents no transgressive variation throughout Europe. Moreover, genetic variability in the hybrid might allow future evolution of its invasiveness, making the hybrid a priority for prevention and management throughout the world. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le genre Rumina Risso, 1926 (Subulinidae) est constitué de gastéropodes terrestres, hermaphrodites et capables de réaliser de l’autofécondation ainsi que de la fécondation croisée. Plusieurs espèces ont été décrites sur base de subtiles différences morphologiques telles que la forme et la taille de la coquille et la coloration du corps. Trois espèces sont actuellement toujours reconnue dans la littérature: Rumina decollata (Linnaeus, 1758), R. saharica Pallary, 1901 et R. paivae (Lowe 1861). Cependant, uniquement le statut spécifique de R. decollata et R. saharica a été confirmé par la morphologie de la coquille et l'anatomie génitale. L’objectif de la thèse est de clarifier la taxonomie du genre Rumina par une approche de taxonomie intégrative en associant des caractères moléculaires, morphologiques et anatomiques ainsi que les méthodes issues de la génétique des populations. Quatre gènes mitochondriaux et deux gènes nucléaires ont été séquencés pour reconstruire la phylogénie de Rumina. Les résultats confirment le statut d’espèce de R. saharica, excluent R. paivae en tant qu’espèce et proposent une nouvelle classification pour R. decollata en 6 espèces phylogénétiques. R. saharica est aussi confirmé en tant qu’espèce morphologique suite à une étude morphomètrique, cependant les nouvelles espèces de R. decollata n’ont pas pu être différenciées ni par les variables morphologiques testées, ni par des particularités dans l’anatomie génitale. Néanmoins, deux des espèces de R. decollata correspondent à deux morphotypes (clair et foncé) auparavant décrits et étudiés dans la région de Montpellier. L’étude de ces deux espèces phylogénétiques avec des microsatellites et allozymes permettent de confirmer le statut spécifique des deux morphotypes et révèlent que R. decollata pratique l’autofécondation croisée à un taux supérieur à celui rapporté dans la littérature, défiant ainsi la règle selon laquelle les hermaphrodites pratiqueraient exclusivement l’autofécondation ou exclusivement la fécondation croisée. L’espèce correspondante au morphotype foncé a été introduite en plusieurs endroits du monde et semble être l’espèce possédant la plus grande capacité invasive parmi les Rumina. Ainsi, nos résultats suggèrent que le genre Rumina, auparavant décrit comme étant composé de trois espèces, est en fait un complexe de sept espèces, qui doivent être davantage étudiées de façon à confirmer leur statut d’espèce par d’autres concepts d’espèce. / Rumina spp. Risso, 1826 (family Subulinidae) is a hermaphroditic terrestrial snail, performing both selfing and outcrossing. Several nominal species have been described based on subtle differences in the shape and size of the shell, and body coloration. Currently, three taxa are still recognized, viz. R. decollata (Linnaeus, 1758), R. saharica Pallary, 1901 and R. paivae (Lowe, 1860). Yet, species-specific differentiation has only been confirmed for R. decollata and R. saharica, based on shell and genital morphology. This work aims at resolving the taxonomy of the genus Rumina through an integrative taxonomic approach by combining molecular, morphological and anatomical characters, as well as population genetic methods. Four mitochondrial and two nuclear genes were used to infer Rumina’s phylogeny. Results suggest that R. saharica is a phylogentic species, R. paivae is not a phylogenetic species and R. decollata is composed by 6 phylogenetic species. The specific status of R. saharica was confirmed by a morphometric analysis, however the remaining phylogenetic species of R. decollata could not be differentiated neither by the shell characters analyzed nor by the genital anatomy. Nevertheless, two phylogenetic species of Rumina representing the dark and light colored strains previously described in the Montpellier region. The study of both these strains with microsatellites and allozymes confirmed their specific status and revealed that outcrossing might be more prevalent than was previously suggested in the literature, therefore defying the alleged rule that hermaphroditic species should be either strict self-fertilizers or strict outcrosser. The dark strain was introduced in several places through the world and seems to be the one with highest invasive character within the genus Rumina. Therefore, our results suggest that the genus Rumina, previously described as having three species, is in fact a complex of seven species that need to be further explored in order to confirm their species status under other species concepts. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les protéines associées aux membranes sont d'une importance cruciale pour la cellule. Cependant, en raison d'une plus grande difficulté de manipulation, les données biochimiques les concernant sont très lacunaires, notamment au point de vue de la formation de complexes entre ces protéines.<p><p>L'objectif global de notre travail consiste à combler ces lacunes et à préciser les interactions entre protéines membranaires chez la levure Saccharomyces cerevisiae et plus précisément, entre les transporteurs. Nous avons commencé notre travail par l'étude d'un jeu de données d'interactions à grande échelle entre toutes les perméases détectées par une méthode de double hybride spécialement adaptée aux protéines insolubles (split ubiquitin). Premièrement, la qualité des données a été estimée en étudiant le comportement global des données et des témoins négatifs et positifs. Les données ont ensuite été standardisées et filtrées de façon à ne conserver que les plus significatives. Ces interactions ont ensuite été étudiées en les modélisant dans un réseau d'interactions que nous avons étudié par des techniques issues de la théorie des graphes. Après une évaluation systématique de différentes méthodes de clustering, nous avons notamment recherché au sein du réseau des groupes de protéines densément interconnectées et de fonctions similaires qui correspondraient éventuellement à des complexes protéiques. Les résultats révélés par l'étude du réseau expérimental se sont révélés assez décevants. En effet, même si nous avons pu retrouver certaines interactions déjà décrites, un bon nombre des interactions filtrées semblait n'avoir aucune réalité biologique et nous n'avons pu retrouver que très peu de modules de protéines de fonction semblable hautement inter-connectées. Parmi ceux-ci, il est apparu que les transporteurs d'acides aminés semblaient interagir entre eux.<p><p>L'approche expérimentale n'ayant eu que peu de succès, nous l'avons contournée en utilisant des méthodes de génomique comparative d'inférence d'interactions fonctionnelles. Dans un premier temps, malgré une évaluation rigoureuse, l'étude des profils phylogénétiques (la prédiction d'interactions fonctionnelles en étudiant la corrééélation des profils de présence - absence des gènes dans un ensemble de génomes), n'a produit que des résultats mitigés car les perméases semblent très peu conservées dès lors que l'on considère d'autres organismes que les \ / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Living cells and their components play a key role within biotechnology industry. Cell cultures and their products of interest are used for the design of vaccines as well as in the agro-alimentary field. In order to ensure optimal working of such bioprocesses, the understanding of the complex mechanisms which rule them is fundamental. Mathematical models may be helpful to grasp the biological phenomena which intervene in a bioprocess. Moreover, they allow prediction of system behaviour and are frequently used within engineering tools to ensure, for instance, product quality and reproducibility.<p> <p>Mathematical models of cell cultures may come in various shapes and be phrased with varying degrees of mathematical formalism. Typically, three main model classes are available to describe the nonlinear dynamic behaviour of such biological systems. They consist of macroscopic models which only describe the main phenomena appearing in a culture. Indeed, a high model complexity may lead to long numerical computation time incompatible with engineering tools like software sensors or controllers. The first model class is composed of the first principles or white box models. They consist of the system of mass balances for the main species (biomass, substrates, and products of interest) involved in a reaction scheme, i.e. a set of irreversible reactions which represent the main biological phenomena occurring in the considered culture. Whereas transport phenomena inside and outside the cell culture are often well known, the reaction scheme and associated kinetics are usually a priori unknown, and require special care for their modelling and identification. The second kind of commonly used models belongs to black box modelling. Black boxes consider the system to be modelled in terms of its input and output characteristics. They consist of mathematical function combinations which do not allow any physical interpretation. They are usually used when no a priori information about the system is available. Finally, hybrid or grey box modelling combines the principles of white and black box models. Typically, a hybrid model uses the available prior knowledge while the reaction scheme and/or the kinetics are replaced by a black box, an Artificial Neural Network for instance.<p><p>Among these numerous models, which one has to be used to obtain the best possible representation of a bioprocess? We attempt to answer this question in the first part of this work. On the basis of two simulated bioprocesses and a real experimental one, two model kinds are analysed. First principles models whose reaction scheme and kinetics can be determined thanks to systematic procedures are compared with hybrid model structures where neural networks are used to describe the kinetics or the whole reaction term (i.e. kinetics and reaction scheme). The most common artificial neural networks, the MultiLayer Perceptron and the Radial Basis Function network, are tested. In this work, pure black box modelling is however not considered. Indeed, numerous papers already compare different neural networks with hybrid models. The results of these previous studies converge to the same conclusion: hybrid models, which combine the available prior knowledge with the neural network nonlinear mapping capabilities, provide better results.<p><p>From this model comparison and the fact that a physical kinetic model structure may be viewed as a combination of basis functions such as a neural network, kinetic model structures allowing biological interpretation should be preferred. This is why the second part of this work is dedicated to the improvement of the general kinetic model structure used in the previous study. Indeed, in spite of its good performance (largely due to the associated systematic identification procedure), this kinetic model which represents activation and/or inhibition effects by every culture component suffers from some limitations: it does not explicitely address saturation by a culture component. The structure models this kind of behaviour by an inhibition which compensates a strong activation. Note that the generalization of this kinetic model is a challenging task as physical interpretation has to be improved while a systematic identification procedure has to be maintained.<p><p>The last part of this work is devoted to another kind of biological systems: proteins. Such macromolecules, which are essential parts of all living organisms and consist of combinations of only 20 different basis molecules called amino acids, are currently used in the industrial world. In order to allow their functioning in non-physiological conditions, industrials are open to modify protein amino acid sequence. However, substitutions of an amino acid by another involve thermodynamic stability changes which may lead to the loss of the biological protein functionality. Among several theoretical methods predicting stability changes caused by mutations, the PoPMuSiC (Prediction Of Proteins Mutations Stability Changes) program has been developed within the Genomic and Structural Bioinformatics Group of the Université Libre de Bruxelles. This software allows to predict, in silico, changes in thermodynamic stability of a given protein under all possible single-site mutations, either in the whole sequence or in a region specified by the user. However, PoPMuSiC suffers from limitations and should be improved thanks to recently developed techniques of protein stability evaluation like the statistical mean force potentials of Dehouck et al. (2006). Our work proposes to enhance the performances of PoPMuSiC by the combination of the new energy functions of Dehouck et al. (2006) and the well known artificial neural networks, MultiLayer Perceptron or Radial Basis Function network. This time, we attempt to obtain models physically interpretable thanks to an appropriate use of the neural networks.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished