Le mélanome est un cancer dont la mortalité augmente rapidement avec le temps. Afin d'assurer une détection précoce, des campagnes de sensibilisation ont été menées donnant des critères morphologiques pour le distinguer des grains de beauté. Mais, l'origine des différences d'aspects entre lésions bénignes et malignes reste inconnue. L'objectif est ici de relier les effets des modifications génétiques à l'aspect des tumeurs, en utilisant des outils venus de la physique macroscopique. Les mélanomes ont l'avantage d'être facilement observables et fins, ce qui en font un système idéal. Ce travail commence par rappeler les aspects physiologiques des cancers de la peau. On explique le fonctionnement de la peau saine, puis nous décrivons les différents types de lésions cutanées, et enfin nous donnons un bref aperçu des différents chemins génétiques connus menant au mélanome. Ensuite, nous faisons un rappel des différents modèles mathématiques du cancer. Nous nous attardons sur l'utilisation de la théorie des mélanges comme base théorique de mise en équation des tumeurs. Nous l'appliquons ensuite dans un modèle simplifié à deux phases en deux dimensions. Puis, nous analysons ces équations. Une étude des composantes spatiales montre la possibilité d'un processus de séparation de phases : la décomposition spinodale. L'étude temporelle permet de montrer que ces équations contiennent les ingrédients nécessaires à décrire plusieurs types de mélanomes observés in vivo. Nous terminons par l'étude des effets de la troisième dimension jusqu'alors mis de côté dans le modèle. Nous mettons en équation des mélanomes évoluant sur un épiderme ondulé, au niveau des mains et des pieds. / Melanoma is a cancer whose mortality grows rapidly with time. In order to insure an early diagnosis, advertising campaigns have emphasized the importance of morphological criteria in order to distinguish moles from melanoma. But, the origins of those criteria are still poorly understood. Our goal is to understand the link between genetic modifications and melanoma patterns using physical tools. As melanoma is easily observable and thin, this makes it an ideal system. This work begins by recalling the physiological aspect of skin cancer. Healthy skin is thoroughly described, then cancerous lesions are depictesd, and melanoma genetic pathways are briefly discussed. Then, continuous mathematical models of cancer are reviewed. We show how mixture theory is used to put cancer into equations. Then, this framework is simplified in a two phases 2D model.Those equations are analysed. The spatial study shows the possibility of a phase separation process: the spinodal decomposition. And, the time study shows thet this model contains the ingredients necessary to describe several melanoma types seen in vivo.Focussing finally on the third dimension. Melanoma evolving on a wavy epidermis (hands and feet skin) are studied. We explain how melanoma patterns should follow the skin ridges (fingerprints).

Utilisation de la métabonomique en spectroscopie RMN pour l'identification de biomarqueurs d'exposition à l'acide Aristolochique. Développement de modèles expérimentaux chez des rats mâles. Analyse d'échantillons urinaires provenant de patients croates potentiellement touchés par la Néphropathie endémique des Balkans / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Intégrer les connaissances sur la connectivité écologique dans la gestion des écosystèmes marins est essentiel, surtout dans un contexte d'appauvrissement des ressources marines et de dégradation des habitats côtiers à l'échelle mondiale. Des outils environnementaux, tels que les Aires Marines Protégées ont été mises en œuvre pour protéger la biodiversité, restaurer les écosystèmes endommagés, soutenir les pêcheries et reconstituer les stocks surexploités. Leur efficacité dépend en partie du maintien de la connectivité entre les populations marines, assurée à travers divers processus écologiques dont la dispersion larvaire. Dans le cadre de ce travail de thèse, un modèle biophysique intégrant des données de courants, issues de mesures d'altimétrie par satellite, a été utilisé pour évaluer la connectivité entre les récifs de l'océan Indien d'une part, et à travers le réseau d'AMP de Méditerranée d'autre part. Différentes méthodes d'analyse ont été utilisées, telles que la théorie des graphes et le clustering. Dans l'océan Indien occidental, l'analyse des connectivités marines montre que le nombre de connexions entre les récifs augmente avec la durée de vie larvaire des poissons. Elle met également en évidence une faible connectivité à l'échelle de la région, mais une forte inter-connectivité au sein de plusieurs sous-régions (Canal du Mozambique, Mascareignes). En Méditerranée, la connectance est globalement faible à l'échelle régionale, bien que plus importante dans le bassin occidental que le bassin oriental. L'analyse des connectivités marines montre également un taux de connectivité élevé à l'échelle d'un même pays. Selon le cas d'étude, une liste de récifs ou de sites prioritaires dans la mise en œuvre des AMP a été proposée. Enfin, les implications de ces résultats en termes de politiques transfrontalières et de coopération régionale sont discutées. / Integrating ecological connectivity into marine ecosystem management and planning is important, especially in a global context of severe fish stocks depletion and growing habitat degradation. Environmental tools such as Marine Protected Areas have been proposed to protect biodiversity, restore damaged ecosystems, sustain fisheries, and rebuild overexploited stocks. The effectiveness of marine protected areas depends in part on the maintenance of connectivity between marine populations, linked by ecological processes such as larval dispersal. In this thesis, we applied a biophysical model driven by ocean currents derived from satellite altimetry to evaluate connectivity between Western Indian Ocean reefs and across the current MPA system in the Mediterranean Sea. We applied different methods of analysis such as graph-theoretic and clustering. In the Western Indian Ocean, marine connectivity analyses show that the number of connections between reefs increases with fish pelagic larval duration. It also highlights a low connectivity across the region and a high interconnectivity within several regions (Mozambique Channel, Mascarene archipelago). In the Mediterranean Sea, connectance is globally low at the regional scale. This connectance is more important in Western than Eastern Mediterranean. Moreover, the marine connectivity analyses revealed high domestic connectivity rates. Depending on the study area, priority reefs or sites for MPA implementation are proposed. Finally, implications for transboundary marine policies and regional cooperation are discussed.

Une mutation du gène SYN1 a récemment été découverte chez plusieurs membres d'une grande famille canadienne-française ségréguant troubles du langage, épilepsie focale, et troubles du spectre autistique (TSA). Bien qu'aucune anomalie macroscopique apparente n'ait pu être identifiée dans les données d’imagerie par résonance magnétique (IRM) cérébrales, nous avons émis l'hypothèse que des modalités d'IRM quantitatives sensibles à la microstructure et à la composition des tissus permettraient l’identification d’anomalies subtiles. Nous avons fait l’acquisition de données IRM multimodale chez 13 sujets porteurs de la mutation SYN1_Q555x et 13 sujets contrôles appareillés pour l’âge et le sexe. Une analyse statistique de groupe a été effectuée sur les cartes paramétriques corticales surfaciques afin de caractériser l’effet de la mutation sur plusieurs paramètres physiques quantitatifs. En résumé, des altérations ont été observées dans le réseau langagier, de même qu’une latéralisation anormale de celui-ci sur l’hémisphère droit. Les changements les plus significatifs dans ces régions sont une diminution de la diffusivité moyenne et une augmentation de l’anisotropie fractionnelle. Un modèle biophysique est proposé pour expliquer ces résultats, qui suggèrent une augmentation de la densité ou de la fraction volumique du neuropile. Cette étude est, à notre connaissance, la première à utiliser avec succès l'imagerie de diffusion et multiparamétrique conjointement à une méthodologie de cartographie surfacique pour détecter des anomalies corticales chez un groupe de sujets avec un génotype bien défini lié aux troubles du langage, à l'épilepsie et aux TSA. Cette étude démontre également que l'IRM de diffusion, bien que traditionnellement considérée comme une modalité spécifique à la matière blanche, peut effectivement être utilisée conjointement à une cartographie de surface pour caractériser une pathologie corticale subtile non détectable autrement, même si seul un groupe relativement restreint de sujets est disponible. / A mutation of the SYN1 gene has recently been discovered in several members of a large French-Canadian family segregating language disorders, focal epilepsy, and autism spectrum disorders (ASD). Although no apparent macroscopic abnormality could be identified in brain magnetic resonance imaging (MRI) data, we hypothesized that quantitative MRI modalities sensitive to tissue microstructure and composition could allow the identification of subtle anomalies. We acquired multimodal MRI data from 13 SYN1_Q555x mutation carriers and 13 healthy controls matched for age and sex. A surface-based group statistical analysis was performed on the cortical parametric maps to characterize the effect of the mutation on several quantitative physical parameters. In summary, alterations were found in the language network, as well as abnormal lateralization of the latter over the right hemisphere. The most significant changes in these regions are a decrease in mean diffusivity and an increase in fractional anisotropy. A biophysical model is proposed to explain these results, which suggest an increase in neuropil density or volume fraction. This study is, to our knowledge, the first to successfully use diffusion imaging and multiparametric mapping in a surface-based approach to detect cortical anomalies in a group of subjects with a well-defined genotype linked to language impairments, epilepsy and ASD. Importantly, this study also shows that diffusion MRI, although traditionally seen as a white matter modality, can effectively be used in a surface-based approach to characterize subtle cortical pathology not detectable otherwise, even when only a relatively small group of subjects is available.

La mécanique cellulaire a gagné un intérêt croissant en raison de son implication fondamentale dans des nombreux processus cellulaires, notamment la migration, la division, la différentiation et l’apoptose. Entre autres techniques, la microscopie à force atomique (AFM) s’est avérée particulièrement utile pour la caractérisation mécanique des cellules vivantes. Dans cette thèse, deux aspects différents ont été étudiés par AFM. Dans un premier temps, l’élasticité des cellules épithéliales étalées sur des micropatterns adhésifs a été cartographiée. Cette étude montre que l’élasticité d’une cellule varie en fonction de sa géométrie d’adhésion à la fois au niveau global et subcellulaire. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à la caractérisation de la réponse viscoélastique d’une cellule à un stimulus mécanique oscillatoire à haute fréquence. Des études précédentes montrent que la réponse des cellules est dominée par un stress élastique et suive une loi de puissance faible à basse fréquence. Une réponse cellulaire essentiellement visqueuse est attendue à haute fréquence, mais jusqu’à présent les limitations techniques ont empêché l’évaluation de cette propriété. Dans ma thèse, ces limitations ont été dépassées grâce à la modification d’un AFM à grande vitesse (HS-AFM). Des mesures de rhéologie active sur fibroblastes ont été réalisées entre 1Hz et 120 kHz, permettant d’étendre de deux ordres de grandeur l’échelle de fréquences explorée. Ce travail montre une réponse cellulaire aux stimulations à haute fréquence plus visqueuse qu’à basse fréquence, mais suggèrent aussi une réponse bien plus complexe qu’attendue. / The field of cell mechanics gained a growing interest because of its fundamental implication in several cellular processes, such as migration, division, differentiation and apoptosis. Among other techniques, atomic force microscopy (AFM) demonstrated particularly useful for the mechanical characterization of living cells. In this thesis, two different aspects were investigated by AFM. In the first part, the elastic properties of epithelial cells grown on adhesive micropatterns were mapped. This study shows that the elasticity of a cell varies as a function of the geometry of its adhesive environment on both global and subcellular scales. The second part of this thesis focuses on the characterization of the viscoelastic response of a cell subjected to an oscillatory mechanical stimulus at high frequency. Previous studies show that the response of cells to such stimuli is mainly dominated by elastic stress and follows a weak power law at low frequency. Instead, a predominantly viscous behavior is expected at high frequency. Up to now, technical limitations prevented the experimental validation of this property. In this thesis, these limitations were overcome thanks to the modification of a high-speed AFM (HS-AFM). With this setup, active rheological measurements of living fibroblasts could be performed from 1 Hz to 120 kHz, extending of two orders of magnitude the frequency scale explored until now. This work highlights a response of cells to high-frequency stimuli which is more viscous than at low frequency, but also suggests a more complex response than expected.

Des modèles prédictifs de prélèvement d’éléments traces métalliques (ETM) par des plantes hyperaccumulatrices sont à développer pour rendre la phytoextraction opérationnelle. Ce travail a pour objectif de développer, calibrer et valider un modèle biophysique combiné d’accumulation foliaire et de mise en solution du nickel lors de cultures de l’hyperaccumulateur Leptoplax emarginata sur un sol fertilisé et contaminé en Ni. Une partie de ce modèle intègre un facteur de bioconcentration lié à la transpiration (TSCF) qui caractérise le mode de transport principal du Ni à travers la racine et jusqu’aux feuilles, lors d’une cinétique couplée de production de biomasse foliaire et de transpiration. Sur des plantes intactes et transpirantes, nous avons déterminé un TSCFNi supérieur à 1 du fait : (i) d’une grande perméabilité des racines à la fois au nickel et à l’eau et (ii) d’un transport actif du Ni largement prédominant. A l’opposé, le TSCFNi du blé de Printemps, plante exclusive, était inférieur à 0,02, et le coefficient de réflection correspondant proche de 1, ce qui caractérise des racines perméables à l’eau mais quasiment pas au nickel. L’exceptionnelle capacité de L. emarginata à accumuler et à tolérer le nickel dans ses feuilles, et plus précisément dans ses épidermes, serait également attribuable à ses transpiration et production de protéines soufrées très élevées, tout particulièrement au niveau de ses feuilles les plus jeunes. Enfin, après avoir couplé notre modèle biophysique d’accumulation foliaire du nickel au modèle de mise en solution des ETM développé par Ingwersen et al. (2006), nous avons optimisé les paramètres du modèle, notamment les paramètres physico-chimiques, et avons validé notre modèle sur des données cinétiques conjointes de quantités de nickel accumulé dans les feuilles de l’hyperaccumulateur et de concentration en nickel dans la solution du sol. Les perspectives de ce travail sont (i) un approfondissement des relations entre l’accumulation foliaire du nickel (ou d’un autre ETM) par un hyperaccumulateur, la transpiration et la production de protéines soufrées permettant une complexation de l’ETM et (ii) une adaptation du modèle pour le terrain, ce qui nécessite notamment une meilleure utilisation du couplage production de biomasse foliaire/transpiration et une prise en compte des cinétiques d’humectation et de dessiccation du sol (équation de Richards de transport d’eau en conditions non saturées), ce qui conduira à la mise au point d’un modèle 1D (la profondeur du sol) d’accumulation foliaire et de mise en solution d’ETM / To make phytoextraction practically feasible, predictive models of metal uptake by hyperaccumulators need to be developed. The aim of this work was to design, calibrate and validate a biophysical combined model of nickel foliar accumulation and availability in soil solution during cultures of the hyperaccumulator Leptoplax emarginata on a fertilized and Ni-contaminated sandy topsoil. We succeed in this. Part of the model integrates a transpiration bioconcentration factor (TSCF) which characterized the main Ni transport through the root and to the leaves. We determined a TSCF value greater than 1 for L. emarginata, which was attributed to (i) a high root permeability to both Ni and water and (ii) a predominant Ni active transport. By contrast, Spring wheat was characterized by a TCSF value less than 0.02 and a reflection coefficient very near 1, indicating that its roots are permeable to water but quite unpermeable to nickel. The high capacity of L. emarginata to tolerate and accumulate Ni in their leaves should also be attributed to its large transpiration and sulfur accumulation, particularly in their youngest leaves. Perspectives of this work are (i) a detailed study on relations between Ni accumulation, transpiration and production of sulphur proteins and (ii) a field adaptation of the model taken into account water transport in unsaturated conditions, leading to design a combined 1D model of nickel foliar accumulation and availability in soil solution

L’agriculture urbaine représente une opportunité de réduire la pauvreté et d’améliorer la sécurité alimentaire des habitants des villes d’Afrique de l’Ouest. L’objectif général de cette thèse est de produire des données d’inventaire représentatives ainsi qu’une évaluation environnementale robuste de ces systèmes de production par la méthodologie Analyse du Cycle de Vie (ACV). Notre cas d’étude a été la tomate des jardins urbains au Bénin. Notre état de l’art nous a permis d’identifier que prendre en compte la diversité des systèmes de production et la variabilité des émissions au champ étaient deux enjeux majeurs de l’ACV des produits maraîchers. Nous avons donc développé un protocole de collecte de données basé sur la typologie qui prend en compte la diversité des systèmes puis mis au point une méthode d’estimation des flux d’azote au champ combinant un bilan d’azote et l’usage d’un modèle biophysique. Nous avons ainsi créé des inventaires pour 6 types de systèmes et une moyenne pondérée représentative de la population étudiée. L’analyse des performances agronomiques de ces systèmes a montré une forte variabilité des rendements et une utilisation fluctuante et souvent excessive d’engrais et de pesticides. L’exploration de la variabilité des flux d’azote à l’échelle de la parcelle et du cycle de culture a permis l’identification de 4 facteurs majeurs: les volumes d’eau d’irrigation, la dose d’azote, le pH du sol et la capacité au champ. A l’aide de scénarios favorables et défavorables aux émissions pour chacun de ces 4 facteurs, nous avons montré que leurs effets sur les résultats d’ACV étaient importants. L’intégration de ces données dans une ACV finalisée a montré qu’un hectare de production de tomate au Bénin était plus impactant que les productions maraichères Européennes. Les avantages du climat favorable du sud Bénin à la production de tomate en contre saison sont annulés par les faibles performances des systèmes d’irrigation, l’usage fréquent d’insecticides et d’importantes émissions azotées. Des données mesurées et des connaissances nouvelles sont nécessaires sur ces systèmes pour valider et affiner nos conclusions. / Urban agriculture provides opportunities to reduce poverty and ensure food safety for cities inhabitants in West Africa. The general objective of this thesis is producing representative inventories and a robust environmental assessment for those production systems using the Life Cycle Assessment (LCA) methodology. Our case study was the tomato production in urban gardens in Benin. Our state of the art identified the integration of the diversity of systems and the variability of field emissions as two major challenges for the LCA of vegetable products. We therefore developed a typology-based protocol to collect cropping systems data that includes their diversity and an approach combining a nitrogen budget and the use of a biophysical model to estimate nitrogen field emissions. We created inventories for 6 cropping system types and one weighted mean representative for the urban tomato growers in Benin. The analysis of the agronomical performances of these systems highlighted the important yield variability and the variable and often excessive use of pesticides and fertilizers. The investigation of nitrogen fluxes variability at plot and crop cycle scales led to the identification of 4 major influencing factors: water use, nitrogen input, soil pH and field capacity. Using favorable and unfavorable scenarios for nitrogen emissions for each of these 4 factors, we demonstrated that the LCA results were sensitive to their variations. The implementation of LCA using those contrasted data showed that one hectare of tomato production in Benin was more impacting than European vegetable productions. The benefits from the favorable climate for producing out-of-season tomatoes were hampered by the low efficiency of irrigations systems, the frequent use of insecticides and large nitrogen emissions. Measured data and new knowledge on these systems are needed to validate and refine our conclusions.

Les cellules eukaryotes sont compartimentées par des structures intracellulaires nommées organites. On peut citer le réticulum endoplasmique, l'appareil de Golgi, le réseau endosomal et lyzosomal. Ces structures délimitées par des membranes cellulaires sont hautement dynamiques, structures dont les composants s'échangent sans cesse entre les différents compartiments. Malgré cette dynamique, les structures qui composent les réseaux d'organites sont très stables et robustes, de sorte que l'on peut décrire un état stationnaire pour ces systèmes hors équilibre et auto-organisés. Bien qu'ils soient robustes en conditions physiologiques, ces compartiments peuvent subir des modification de structures en condition pathologiques ou sous l'effet de traitements pharmacologiques. L'auto-organisation de systèmes à l'équilibre et relativement bien compris par le biais de diagrammes de phases, où l'on peut représenter lesdites phases en fonctions de paramètres physiques, tels que la concentration, ou les interaction entre les différents composants. La situation est bien moins prédictible pour des systèmes hors équilibre. C'est là donc une question scientifique intéressante que de comprendre les mécanismes contraignant l'organisation intracellulaire, où transports actifs et modification biochimiques des composant, tout deux consommant de l'énergie, sont en compétition avec des phénomènes passifs telle que la diffusion. Nous étudions, aussi bien numériquement qu'analytiquement, des modèles d'auto-organisation et de transport, dans des systèmes où un nombre réduit de composants s'organisent par le biais de réaction stochastiques, en des structures de grandes tailles. La question principale que nous posons est de comprendre comment les dynamiques d'échanges entre compartiments (par le biais de vésiculations et de fusion) jouent de concert avec les cinétiques de maturation des composants d'organites, permettent la mise en place d'un réseau robuste. A cette fin, nous nous focalisons sur un organite type, multi-compartiments, doté d'une dynamique riche de transport et de maturation de ses composants : l'appareil de Golgi. Nous décrivons et analysons l'état stationnaire de ces systèmes, en des termes de tailles et de pureté des compartiments le composant - sont ils gros ou petit, triés dans leur composition ou mixés. De cet état stationnaire émerge spontanément un transport de vésicules entre les compartiments, dont la directionnalité est intimement liée à l'état stationnaire. Ce transport est antérograde dans les régimes triés, rétrograde dans les régimes mixés. Des interactions locales, entre les compartiments et ce qu'ils renferment (protéines dont le nom générique est cargo), suffisent à biaiser ces dynamiques de transport. Cela impacte à la fois le temps de résidence des cargos, mais aussi leur localisation dans le système. La capacité de cet organite à trier ces cargos dépend cependant grandement de l'état stationnaire précédemment décrit. / Eukaryotic cells are highly compartmentalized into intracellular organelles, such as the endoplasmic reticulum, the Golgi apparatus, endosomes and lysosomes. These are dynamical structures bounded by lipid membranes, within which components undergo biochemical modification by enzymes, and between which components are constantly being exchanged. Despite their highly dynamical nature, their spatial organization is fairly well conserved over time, so that they could be seen as stationary states of a highly non-equilibrium, and multi-component system. On the other hand, this organization has been observed to be totally disorganized in pathologies or drug treatments. Self-organization in equilibrium systems is fairly well understood by means of phase diagrams where the occurrence of different phases (dispersed, condensed, phase separated) depends on physical parameters (concentrations, interaction energy between components). The situation is much less clear for non-equilibrium systems. It is therefore an exciting challenge to reach a quantitative understanding of the mechanisms dictating the intra-cellular organization, where active transport and biochemical modification by energy-consuming enzymes compete with purely passive phenomena such as diffusion. We design and study, both analytically and numerically, simple models of self-organization and transport in systems where a limited number of components may self-organize into larger structures by means of stochastic reactions. Our main fundamental question is to determine how the interplay between the dynamics of inter-organelle exchange (by means of vesicle secretion, transport and fusion) and the kinetics of biochemical maturation within organelles may yield a precise and robust organelle network. To this end we focus on one "stereotype" organelle, that is already multi-compartments and with a very rich dynamics of vesiculation, fusion and maturation: the Golgi Apparatus. We describe and understand the steady-state organization of such systems, in term of compartments' size and purity - how big and well sorted are the different compartments. From this steady-state, a vesicular transport spontaneously emerges, whose directionality is linked to the steady-state organization. It is anterograde in a pure regime, and retrograde in a mixed configuration. Local interaction between components being transported, and membranes are sufficient to bias those transport. This both change the kinetics of transport in the system, and thus their location in the compartments. How efficient the system is in sorting these elements, strongly relies on the steady-state organization and the vesicular transport.

L’environnement naturel des levures est constitué d’une communauté de cellules. Les chercheurs, cependant, préfèrent étudier les levures dans des environnements plus simples et homogènes, comme des cultures en cellule unique ou en population, s’affranchissant ainsi de la complexité de la croissance spatiotemporelle, la différentiation, l’auto-organisation, ainsi que la façon dont ces caractéristiques sont formées et s’entrelacent à travers l’évolution et l’écologie. Nous avons mis en place un dispositif microfluidique multicouches permettant la croissance de colonie de levures dans des environnements dynamiques, spatialement structurés, contrôlés, partant d’une monocouche de levures à une colonie multicouches. La croissance des colonies, dans son ensemble comme à des positions spécifiques, est le résultat de la formation d’un gradient de nutriment au sein de celles-ci - gradient qui trouve son origine dans le différent taux de diffusion des nutriments, des taux d’absorption de ceux-ci par les cellules, ainsi que de leurs concentrations initiales. Lorsqu’un nutriment en quantité limitante (par exemple le glucose ou un acide aminé) est épuisé, à une distance spécifique de la source de nutriments, les cellules au sein de la colonie cessent de croitre. Nous avons été en mesure de moduler cette distance spécifique en variant la concentration initiale de nutriments ainsi que le taux d’absorption des cellules. Les motifs d’expression de gènes de la colonie nous ont donné des informations sur la formation de micro environnements spécifiques ainsi que sur le développement subséquent, la différentiation et l’auto-organisation. Nous avons quantifié les motifs d’expression de sept gènes de transport du glucose (HXT1-7), chacun exprimé spécifiquement suivant la concentration de glucose, ce qui nous a permis de reconstituer la formation de gradients de glucose au sein d’une colonie. En étudiant des gènes spécifiques de la fermentation et de la respiration, nous avons pu observer la différentiation en deux sous-populations. Nous avons de plus cartographié l’expression de gènes impliqués dans différentes parties du métabolisme des glucides, suivi et quantifié la dynamique spatio-temporelle de croissance et d’expression génétique et finalement modélisé la croissance de la colonie ainsi que la formation du gradient de nutriment. Pour la première fois, nous avons observé la croissance, la différentiation et l’auto-organisation des colonies de S. cerevisiae avec une résolution spatio-temporelle jusqu’à maintenant inégalée / The natural environment of yeast is often a community of cells but researchers prefer to study them in simpler homogeneous environments like single cell or bulk liquid cultures, losing insight into complex spatiotemporal growth, differentiation and self-organization and how those features are intertwined and shaped through evolution and ecology. I developed a multi-layered microfluidic device that allows us to grow yeast colonies in spatially controlled dynamically structured changing environments from a monolayer of single yeast cells to a multi-layered colony. Colony growth, as a whole and at specific locations, is a result of the nutrient gradient formation within a colony through interplay of nutrient diffusion rates, nutrient uptake rates by the cells and starting nutrient concentrations. Once a limiting nutrient (e.g. glucose or amino acids) is depleted at a specific distance from the nutrients source the cells within a colony stop to grow. I was able to modulate this specific distance by changing the starting nutrient concentrations and uptake rates of cells. Colony gene expression patterns gave us information on specific micro environments formation and consequential development, differentiation and self-organization. I quantified the patterns of expression of seven glucose transporter genes (HXT1-7), each of them specifically expressed depending on the glucose concentration. This enabled us to reconstruct glucose gradients formation in a colony. I further followed the expression of fermentation and respiration specific genes and observed differentiation between two subpopulations. We also mapped other genes specific for different parts of carbohydrate metabolism, followed and quantified the spatiotemporal dynamics of growth and gene expression, and finally modelled the colony growth and nutrient gradient formation. For the first time, we were able to observe growth, differentiation and self-organization of S. cerevisiae colony with such an unprecedented spatiotemporal resolution

L’étude de phénomènes thermiques à l’échelle microscopique peut s’avérer compliquée à mettre en place, principalement à cause de l’absence de technique de mesure de température fiable. Dans ce contexte, une technique de mesure de température appelée TIQSI a été développée au sein de l’Institut Fresnel. Dans l’objectif d’étudier des phénomènes thermo-induit à l’échelle microscopique, j’ai monté un microscope capable de contrôler et de quantifier une élévation de température à l'aide de TIQSI et de nanoparticules d’or. Différents phénomènes ont ainsi pu être étudiés.La synthèse hydrothermale regroupe les réactions chimiques utilisant de l’eau liquide à des températures plus élevées que la température d’ébullition. L’utilisation de nanoparticules permet d’avoir de l’eau liquide à des températures supérieures à 100°C (état métastable). J’ai pu ainsi effectuer des réactions de synthèse hydrothermale sans autoclave ce qui constitue un nouveau concept en chimie de synthèse.Une cellule vivante peut-être endommagée par un stress de chaleur ce qui peut détériorer ses protéines. En réponse à ce stress, la synthèse de HSP permet la réparation des protéines endommagées. J’ai pu étudier la dynamique de réponse des HSP ce qui a permis d’illustrer l’intérêt d’une chauffe locale et de TIQSI pour ce genre d’expérience.Une autre application mêlant le surchauffage de l’eau liquide et la biologie a été abordée. Les organismes hyperthermophiles vivent à de très hautes températures (80-110◦C). J’ai pu durant mes expériences observer le déplacement d’hyperthermophiles. Cette avancée constitue les prémices d’expériences plus ambitieuses comme l’étude de l’interaction entre hyperthermophiles. / Nowadays, thermal experiments at the microscopic scale remain challenging to conduct due to the lack of reliable temperature measurment techniques. To solve these problems, a label-free temperature measurement technique called TIQSI has been developed in the Institut Fresnel.With the objective to study new thermal-induced effects on the microscale using TIQSI, I built a microscope aimed to control heat diffusion on the microscale using nanoparticle. Thus, I could study different phenomena in chemistry and biology.Hydrothermal methods in chemical synthesis rely on the use of superheated liquid water as a solvent. It has been shown that gold nanoparticles can be used superheated water in a metastable state. I managed to conduct hydrothermal chemistry experiments using thermoplasmonics without autoclave which represents a new paradigm in chemistry.A living cell can be damaged by a heat stress which can misfold its proteins. To response to this stress, the HSP synthesis enables the reparation of misfolded proteins. I could study the heat stress response of HSP at short time scale which allowed me to illustrate the interest of using TIQSI and a local heat.As an application mixing superheating water and biology, I studied organisms that are able to live at high temperature (80-110°C) namely hyperthermophiles. Motion of these organisms has been studied without autoclave which paves the way to more sophisticated experiments such as the interaction between hyperthermophiles.