Les récentes avancées en biologie des systèmes et en biologie synthétique contribuent déjà au fleurissement d'applications en ingénierie métabolique visant une bioproduction renouvelable de composés chimiques. Nous pouvons entrevoir un futur où des microbes serait conçus à la carte afin de valoriser n'importe quelle source de carbone en n'importe quel composé d'intérêt. Si la route est longue avant l'accomplissement d'un tel objectif, son parcours devrait en être grandement facilité par l'exploitation de méthodes d'ingénierie déjà éprouvées dans d'autres disciplines. On s'attend entre autre à ce que l'utilisation de logiciels de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) diminue le temps et l’expertise nécessaires à la construction de voies métaboliques n'existant pas dans la nature. La première partie de cette thèse est dédiée à notre méthode de prédiction de voies métaboliques et à ses implémentations. Nous décrivons tout particulièrement RetroPath2.0, un outil de prédiction de réseaux de réactions mettant l'accent sur les applications de rétrosynthèse, et qui est construit pour être facilement extensible par la communauté. Dans la seconde partie, nous détaillons l'intérêt des biosenseurs intracellulaires pour l'ingénierie métabolique et introduisons SensiPath; une application web qui exploite un outil de prédiction de réactions pour concevoir des circuits métaboliques permettant la biodétection de composés pour lesquels aucun biosenseur direct n'est connu. Dans l'ensemble, cette thèse propose que les outils de bioCAO devraient permettre de révéler la créativité de leurs utilisateurs et encourager l'exploration de nouvelles applications. / Advances in systems and synthetic biology are fueling our ability to develop successful metabolic engineering applications for the sustainable production of bio-based chemicals. We can envision a future in which designer cells could be engineered to transform any carbon source into any target compound. This daunting task will be achieved by leveraging methods that proved themselves in other engineering disciplines. Among those, the use of Computer Aided Design(CAD) softwares is expected to reduce the amount of time and expert knowledge needed to design de novo metabolic pathways. The first part of this thesis is dedicated to our pathway prediction algorithm and its CAD implementations. Most notably, we will present RetroPath2.0, a versatile reaction network prediction framework focused on retrosynthesis that is built to be easily extensible by the community. In the second part, we will highlight the interest of intracellular biosensors for metabolic engineering and introduce SensiPath, a web application that uses a reaction prediction engine to design biosensing circuits for compounds for which no direct biosensors are known. Altogether, this thesis proposes that bioCAD tools should focus on empowering users’ creativity and encourage them to explore original applications.

Les stress ont un impact majeur sur l'agriculture. Les études réalisées jusqu'à présent portent majoritairement sur des stress simples, appliqués indépendamment dans des conditions de culture idéales. Cependant, les combinaisons de stress sont la norme dans les champs et la réponse aux combinaisons de stress ne peut être extrapolée à partir de l'addition des réponses aux stress simples. Une analyse bioinformatique de banques de données de transcriptomique a permis d’identifier un gène (HSFA2) répondant a de multiple stress, isolés ou combinés. La présente thèse a pour but de découvrir les mécanismes contrôlant l'expression d’HSFA2. Deux stratégies ont alors été mise en oeuvre. Dans un premier temps, les facteurs capables de fixer une région promotrice d’HSFA2 ont été étudiés par système de « simple hybride levure ». Dans un second temps, une lignée transgénique biosenseur de l’activité d’HSFA2 a été produite et mutagénéisée. De nombreux mutants ont été sélectionnés sur la base d’une expression constitutive du biosenseur. La capacité des mutants sélectionnés à résister à une combinaison de stress chaleur et de stress lumière a ensuite été analysée. L’identification des mutations causales par séquençage du génome entier a permis, dans certains cas, de déterminer quels étaient les loci responsables des résistances observées. En particulier, deux mutations conférant une large résistance seront discutées. / Stresses represent the major cause of yield loss in modern agriculture. Previously, the majority of studies concern simplified, single stress situations, whereas in the field, stresses are complex and most often occurring in combinations. However, multiple stress response cannot be extrapolated from single stress responses added together. Bioinformatic analysis of transcriptomic data banks allowed us to identify a gene (HSFA2) involved in multiple stress responses. The work presented here aimed at discovering the mechanisms controlling HSFA2 expression. Two strategies were used.First, factors able to bind a region of HSFA2 promoter were studied through a “yeast one hybrid” system. Secondly, a transgenic biosensor of HSFA2 activity line was produced and mutagenized. A great number of mutants were selected on the basis of showing a constitutive activation of the biosensor. Resistance potentials to a combination of heat and high light stresses were then determined. Causal mutations identification through whole genome sequencing allowed, in some cases, to determine which were the loci responsible for the resistance traits. In particular, two mutations confering broad spectrum stress resistance will be discussed.

Le monitoring des écosystèmes terrestres nécessite une connaissance approfondie des interactions entre microorganismes, minéraux et métaux dans les sols. Afin d'évaluer in vivo la disponibilité de métaux tel que le fer dans des systèmes bactéries-minéraux, une approche basée sur l’utilisation de biosenseurs bactériens fluorescents et d’une analyse spectroscopique non-invasive a été explorée. Ce travail a notamment conduit à la construction chez Pseudomonas aeruginosa de fusions génétiques couplant des promoteurs régulés par le fer à des rapporteurs fluorescents multicolores. Les souches obtenues ont été utilisées comme senseur de la disponibilité du fer constitutif de différents minéraux (Nontronites). La réponse de ces biosenseurs bactériens a été étudiée en couplant la spectroscopie de fluorescence à balayage synchrone (SFS) à la décomposition canonique polyadique Candecomp / Parafac (CP). Avec des plans d’expérience privilégiant la diversité des réponses, le couplage SFS-CP garantit une estimation conjointe et rapide de l’expression de plusieurs promoteurs d’intérêts, y compris dans des milieux auto-fluorescents. Cette méthode originale permet, entre autres, de s’affranchir des problèmes liés aux recouvrements spectraux des protéines fluorescentes et fournit une estimation robuste et précise de la réponse des biosenseurs. Appliquée à d’autres plans d’expériences, elle démontre également que la bio-dissolution des nontronites par P. aeruginosa est assurée par la production de sidérophores et contrôlée par la cristallochimie des feuillets des smectites, notamment par la distribution des atomes de fer(III) entre les tétraèdres et les octaèdres / Monitoring terrestrial ecosystems requires a better understanding of the interactions between microorganisms, minerals and metals in the environment. To assess in vivo availability of metals such as iron in bacteria-mineral system, an approach based on whole-cell fluorescent biosensors and non-invasive spectroscopy was explored. This work led to the construction in Pseudomonas aeruginosa of a set of gene fusions coupling iron-regulated promoters to multicolour fluorescent reporters. The recombinant strains were used as sensors of structural iron availability in nontronites NAu-1 and NAu-2. The response of these biosensors was studied by coupling synchronous fluorescence spectroscopy (SFS) with canonical polyadic Candecomp/Parafac (CP) decomposition. On the basis of experimental designs favouring response diversity, the coupled SFS-CP method guarantees a joint estimate of gene expression from multiple promoters, even in highly fluorescent media. This novel method can solve the issue of spectral bleed-through of fluorescent proteins and provides a means to integrate multiple signals from combinations of whole-cell fluorescent bioreporters. In addition, we could show using SFS-CP that P. aeruginosa indirectly mobilize Fe(III) from nontronites primarily through the production of pyoverdine siderophore. The structural Fe(III) present on the edges of NAu-2 rather than NAu-1 particles appears to be more bioaccessible, suggesting that the distribution of Fe, in the tetrahedron and/or in the octahedron sites, governs the solubilization process

Les buts de cette thèse sont doubles, et concernent les circuits métaboliques synthétiques, qui permettent de détecter des composants chimiques par transmission de signal et de faire du calcul en utilisant des enzymes. La première partie a consisté à développer des outils d’apprentissage actif et par renforcement pour améliorer la conception de circuits métaboliques et optimiser la biodétection et la bioproduction. Pour atteindre cet objectif, un nouvel algorithme (RetroPath3.0) fondé sur une recherche arborescente de Monte Carlo guidée par similarité est présenté. Cet algorithme, combiné à des règles de réaction apprises sur des données et des niveaux différents de promiscuité enzymatique, permet de focaliser l’exploration sur les composés et les chemins les plus prometteurs en bio-rétrosynthèse. Les chemins obtenus par rétrosynthèse peuvent être implémentés dans des cellules ou des systèmes acellulaires. Afin de concevoir le meilleur milieu pour optimiser la productivité du système, une méthode d’apprentissage actif qui explore efficacement l’espace combinatoire des composants du milieu a été développée.La deuxième partie a consisté à développer des méthodes d’analyse, pour générer des connaissances à partir de données biologiques, et modéliser les réponses de biocapteurs. Dans un premier temps, l’effet du nombre de copies de plasmides sur la sensibilité d’un biocapteur utilisant un facteur de transcription a été modélisé. Ensuite, en utilisant des systèmes acellulaires qui permettent un meilleur contrôle des variables expérimentales comme la concentration d’ADN, l’utilisation des ressources a été modélisée pour assurer que notre compréhension actuelle des phénomènes sous-jacents est suffisante pour rendre compte du comportement du circuit, en utilisant des modèles empiriques ou mécanistiques. Couplés aux outils de conception de circuits métaboliques, ces modèles ont ensuite permis de développer une nouvelle approche de calcul biologique, appelée perceptrons métaboliques.Dans l’ensemble, cette thèse présente des outils de conception et d’analyse pour les circuits métaboliques synthétiques. Ces outils ont été utilisés pour développer une nouvelle méthode permettant d’effectuer des calculs en biologie synthétique. / The aims of this thesis are two-fold, and centered on synthetic metabolic circuits, which perform sensing and computation using enzymes.The first part consisted in developing reinforcement and active learning tools to improve the design of metabolic circuits and optimize biosensing and bioproduction. In order to do this, a novel algorithm (RetroPath3.0) based on similarity-guided Monte Carlo Tree Search to improve the exploration of the search space is presented. This algorithm, combined with data-derived reaction rules and varying levels of enzyme promiscuity, allows to focus exploration on the most promising compounds and pathways for bio-retrosynthesis. As retrosynthesis-based pathways can be implemented in whole cell or cell-free systems, an active learning method to efficiently explore the combinatorial space of components for rational media optimization was also developed, to design the best media maximizing cell-free productivity.The second part consisted in developing analysis tools, to generate knowledge from biological data and model biosensor response. First, the effect of plasmid copy number on sensitivity of a transcription-factor based biosensor was modeled. Then, using cell-free systems allowing for broader control over the experimental factors such as DNA concentration, resource usage was modeled to ensure our current knowledge of underlying phenomenons is sufficient to account for circuit behavior, using either empirical models or mechanistic models. Coupled with metabolic circuit design, those models allowed us to develop a new biocomputation approach, called metabolic perceptrons.Overall, this thesis presents tools to design and analyse synthetic metabolic circuits, which are a novel way to perform computation in synthetic biology.

Chez les Vibrio spp., le QS est impliqué dans de nombreuses fonctions comme la colonisation de niche écologiques, les stratégies de survie ou encore la virulence. Cependant, pour la majorité des espèces de Vibrio, la diversité des AHLs produites reste largement sous-estimée et l'étude du QS est encore limitée à quelques espèces modèles ou pathogènes. Toutefois, dans les environnements aquatiques, ces espèces sont minoritaires et les espèces les plus abondantes ne sont que très peu étudiées. Nos résultats ont révélé une importante diversité d'AHLs mais aussi, de façon surprenante, une hétérogénéité dans les phénotypes de production d'AHL au sein d'une même espèce de Vibrio. Pour la première fois, nous avons mis en évidence qu'une même souche de Vibrio pouvait présenter des phénotypes de production d'AHLs différent au cours du temps et une approche statistique a révélé l'implication de certains déterminants biotiques et abiotiques dans ces variations temporelles. Par ailleurs, une approche à micro-échelle a révélé une structuration des populations de Vibrio en unités fonctionnelles constituées de souches phylogénétiquement proches qui partagent des niches écologiques spécifiques et des comportements sociaux. Nos résultats ont mis en évidence que les modalités de communication pouvaient être hétérogènes suggérant l'absence d'un langage commun au sein de ces unités fonctionnelles. En conclusion, ce travail de thèse a permis d'apporter de nouvelles connaissances sur le QS chez les Vibrio dans l'environnement marin, de la souche à la population, et propose une vision intégrée des mécanismes de régulation de la production d'AHLs dans l'environnement. / Quorum sensing is an important mechanism among Vibrio species and is involved in many vital functions such as niche colonization, survival strategies or virulence. However, AHL diversity still largely underestimated for the majority of Vibrio species and the current knowledge on AHL-mediated QS is limited to a few pathogenic or bioluminescent species. Nonetheless, these species are weakly abundant in seawater while dominant species in the environment are poorly studied. Our results revealed a unexpected diversity of AHL molecules but also a quite surprising intra-species diversity of AHL production phenotypes. For the first time, we showed that different isolates of a single genotype switched between different AHL production phenotypes among time and we revealed the potential involvement of abiotic and biotic parameters in these variations. However, it appears that when studied at a microscale, Vibrio populations are showing a functional structuration in ecological units consisting of phylogenetically close strains sharing habitat and social traits. In this context, it was necessary to determine if these different AHL production phenotypes were associated to different micro-habitats in the water column. We did not demonstrate that a common language was spoken within ecological populations. This thesis work provide new insights on AHL-mediated QS among a broader range of species and among Vibrio populations and depicts the potential impact of multiple aspects of marine environments on AHL production.

Il est connu depuis presque 50 ans que, dans certaines conditions, les dérivés de guanosine peuvent former des tétrades. Ces tétrades résultent de l'arrangement coplanaire de quatre guanines reliées par des liaisons hydrogène de type Hoogsteen. Ces motifs particuliers représentent un modèle pertinent pour l'étude des phénomènes d'auto-assemblage et de synthèses non covalentes via la formation de liaisons hydrogène. Dans la première partie de ce manuscrit nous décrirons comment l'utilisation d'un gabarit peptidique peut contraindre la formation d'une telle organisation. L'introduction de contraintes conformationnelles permet de contrôler la formation de tétrades de guanines synthétiques dans l'eau sans la présence de cation normalement nécessaire pour stabiliser de tels édifices. Deux architectures ont été développées et caractérisées et les études effectuées permettent de comprendre les phénomènes intervenant dans la structuration de ces tétrades synthétiques. Il est également connu que les acides nucléiques riches en guanines peuvent adopter des structures secondaires particulières, connues sous le nom de quadruplexes d'acides nucléiques, formées par l'empilement de tétrades de guanines. Ces motifs particuliers interviennent dans de nombreux phénomènes biologiques (maintenance des régions télomériques, activation des oncogènes, ...) et représentent des cibles intéressantes pour le développement de nouvelles thérapies anticancéreuses. Néanmoins l'étude des phénomènes de reconnaissance de ces motifs par de petites molécules organiques est perturbée par des phénomènes de polymorphisme inhérent aux motifs quadruplexes. Nous proposons dans un deuxième chapitre, le développement de mime de quadruplexe basé sur l'utilisation d'un gabarit peptidique pour le contrôle de la présentation de courtes séquences nucléotidiques et le développement d'architectures présentant une topologie contrôlée. Un intérêt tout particulier a été apporté à l'étude de l'interaction de petites molécules organiques avec de tels motifs par SPR. Les expériences réalisées confirment que l'approche employée peut être utilisée pour comprendre les interactions mises en jeu et sélectionner des ligands de quadruplexes performants.

L'une des stratégies mise en œuvre pour améliorer la prise en charge thérapeutique des patients concerne le développement d'outils diagnostiques sensibles et spécifiques. Les aptamères sont des oligonucléotides artificiels obtenus par SELEX avec une très haute affinité ainsi qu'une excellente spécificité pour leurs cibles. L'immobilisation de ces motifs de reconnaissance moléculaire à la surface de nanomatériaux tels que des nanoparticules d'or (AuNPs), dont les propriétés optiques et électroniques sont uniques, permet d'amplifier le signal généré par l'interaction du ligand avec sa cible. Deux systèmes de biosensing ont été élaboré en fonctionnalisant des AuNPs avec des aptamères, l'un dirigé contre la thrombine et le second dirigé contre une marque épigénétique portée par une protéine histone. La réduction des sels d'or aurique précurseurs a été réalisée en présence de PEG4 et a conduit à l'obtention d'une population homodisperse de AuNPs sphériques d'un diamètre moyen de 14 nm et présentant une isotropie de taille et de forme. Ces AuNPs ont ensuite été fonctionnalisées par des bras espaceurs de longueur variable constitués d'unités tétraéthylène glycol successives reliées entre elles par des ponts éthers ou triazoles. L'acide lipoique a été utilisé comme motif d'ancrage à la surface des AuNPs via une liaison covalente Au-S et a été couplé aux différents bras espaceurs via une réaction de Steglich. Les linkers étaient porteurs d'un groupement terminal azoture afin de réaliser le couplage par chimie-click avec les aptamères. La stratégie de détection de la thrombine utilisait les propriétés de quenching de fluorescence des AuNPs alors que la détection de l'histone était colorimétrique et mettait à profit l'effet de résonance plasmonique de surface des nanoparticules d'or. / Improving patients therapeutic care needs the development of sensitive and specific diagnostic tools. Aptamers are synthetic oligonucleotides obtained by SELEX with a very high affinity and excellent specificity for their targets. Grafting of these molecular recognition patterns onto nanomaterials such as gold nanoparticles (GNPs), which unique optical and electronic properties, can amplify the signal induce by the interaction between the ligand and its target. Two biosensing systems have been developed by GNP functionalization with aptamers, one is directed against thrombin and the second against an epigenetic mark carried by a histone protein. Gold precursors was reduced in the presence of PEO4 and led to a homodisperse population of spherical GNP with an average diameter of 14 nm and an isotropy of size and shape. GNP were functionalized with tetraethylene glycol units interconnected by ether or triazoles bridges as a linker. Lipoic acid was used as an anchor moiety onto gold surface via a covalent Au-S bond and was coupled to the spacer through a Steglich reaction. The linkers were functionalized with an azide group to perform the coupling with aptamers by click chemistry. The thrombin sensing strategy used the fluorescence quenching properties of GNPs while the histone detection involved the gold nanoparticle plasmon resonance surface effect.

La biodisponibilité d'un métal pour un organisme donné correspond à la fraction de ce métal qui est potentiellement bioadsorbable et/ou biointernalisable. Elle dépend de la composition physicochimique du milieu, de la nature des surfaces biologiques considérées et elle est modulée par la réponse cellulaire des organismes. Dans un contexte environnemental, l’analyse des processus contrôlant la bioassimilation des métaux est essentielle pour une prédiction fiable de leur biodisponibilité et toxicité. Dans ce manuscrit sont détaillés des développements théoriques et expérimentaux visant à comprendre la dynamique de partition de contaminants métalliques aux interfaces microbiennes et les déterminants de leur biodisponibilité selon une approche qui dépasse les cadres thermodynamiques classiques (modèle BLM). Après une partie introductive et une revue de l'état de l'art, le troisième chapitre de cette thèse est dédié à l'élaboration d'un formalisme pour l'évaluation quantitative de la bio-partition hors-équilibre de métaux traces aux interfaces biologiques. Ce modèle théorique est basé sur les expressions des flux de contaminants depuis la solution extracellulaire vers la surface biologique par diffusion/conduction, des flux d'internalisation et excrétion à travers la membrane, et il tient compte de la cinétique de déplétion des métaux en solution. Le formalisme intègre par ailleurs les processus de complexation intracellulaire des métaux sur la base d'un mécanisme d'Eigen généralisé. Dans le quatrième chapitre, des souches d'Escherichia coli ont été génétiquement modifiées pour (i) limiter leurs capacités d'excrétion des métaux et (ii) sur-exprimer des protéines intracellulaires ayant une forte affinité pour ces métaux. Des données expérimentales issues de suivis cinétiques de déplétion de Cd(II) réalisées à différentes fractions volumiques en bactéries ont permis de conforter avec succès les bases de la théorie élaborée dans cette thèse pour la partition de métaux à des biointerfaces molles chargées. Un dernier chapitre est consacré à l’évaluation quantitative de la réponse de biosenseurs luminescents en présence de métaux. Ce formalisme décrit la façon avec laquelle la dérivée temporelle des biosignaux dépend de la dynamique d’internalisation du métal, de la cinétique de formation de complexes intracellulaires régulateurs des processus de transcription et de leurs stabilités, et des processus de bio-sorption passive. Une confrontation avec des données expérimentales issues de biosenseurs sensibles au cadmium a permis de mettre en évidence l’inapplicabilité des modèles d’équilibre de biodistribution des métaux, et de prédire la réponse des biosenseurs à des variations de la salinité du milieu, de la concentration cellulaire et de la concentration bulk de métaux / Bioavailability of metal ions toward living organisms refers to the metal fraction they potentially adsorb and/or internalize. It is governed by the physicochemical medium composition, the nature of the biological surface considered and it is further mediated by the cellular response of the organisms. Within an environmental context, a fine understanding of the processes controlling metal biouptake is mandatory to predict bioavailability and toxicity of metallic contaminants. Here are detailed theoretical and experimental developments to broaden our knowledge on dynamic partitioning of metallic contaminants at microbial interfaces beyond the standard thermodynamic representation (BLM model). After an introduction and a state of the art section, the third chapter is devoted to the elaboration of a rationale for the evaluation of the processes governing metal biouptake under relevant out-of-equilibrium conditions. The formalism expresses the fluxes of contaminants from bulk medium to the biosurface via conductive diffusion, the biouptake and excretion fluxes with account of metal depletion kinetics in the extracellular medium. It also includes chemodynamics of intracellular metal complexation as described by a generalized Eigen scheme. In the fourth chapter, strains of \textit{Escherichia coli} were genetically modified to limit metal excretion ability and overexpress strong intracellular proteinaceous chelators. Quantitative interpretation of metal depletion kinetic data confort the bases of the theory developed in this PhD work on metal partitioning at soft charged biointerfaces. The final chapter deals with a development of a theoretical framework for understanding -on a mechanistic level- the response of metal-sensitive whole-cell bioreporters. The theory explicitly deciphers how the time derivative of bioreporters signal intensity is governed by the dynamics of metal biouptake, by the formation kinetics and stability of the intracellular complexes acting as transcriptional regulators, and by passive biosorption. The model predictions are successfully collated with cadmium detection data collected with genetically modified Escherichia coli luminescent bioreporters that exhibit various lipopolysaccharidic surface structures. The analysis dismisses the applicability of thermodynamic metal biopartitioning models and it clearly defines the physicochemical medium composition in line with optimum biosensing of the bioavailable metal fraction

Ce travail porte sur l’étude électrochimique et par microscopie de fluorescence in situ de l’auto-assemblage, sur électrode d’or, de monocouches d’aptamères peptidiques de la protéine p53 en vue de la détection de la protéine MDM2. L’utilisation de nouvelles sondes de reconnaissance moléculaire telles que les aptamères peptidiques a été considérée en tant qu’alternative à l’utilisation d’anticorps. Les aptamères peptidiques sont des séquences synthétiques de peptide se liant à la protéine cible avec une affinité et une spécificité élevées. La première partie de ce travail porte sur l’étude électrochimique de l’interface modifiée résultant de diverses procédures d’immobilisation. Des mesures en présence du marqueur rédox [Ru(NH3)6]3+ ont démontré l’immobilisation de la sonde peptidique à la surface d’or et ont permis l’évaluation relative de la densité de sondes adsorbées à la surface respectivement à la méthode d’immobilisation considérée. Par ailleurs, des mesures en présence du couple rédox [Fe(CN)6]3-/4- ont mis en évidence une inhibition drastique du transfert d’électron dans le cas de monocouches composées exclusivement du peptide. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la détection de la protéine MDM2. Trois interfaces modifiées ont été envisagées soit deux monocouches mixtes de peptide et de 4-mercaptobutan-1-ol, ce dernier jouant le rôle de diluant, adsorbés en une ou en deux étape(s), et une monocouche uniquement composée de peptide. L’utilisation de la spectroscopie d’impédance électrochimique en présence du couple rédox [Fe(CN)6]3-/4- comme méthode de détection a mis en exergue la pertinence de cette dernière interface pour la détection. En effet, l’inhibition du transfert d’électron préalablement identifiée est fortement amoindrie suite à l’interaction avec la protéine cible. Une gamme de détection s’étendant de ~1 à 60 ng mL-1 et une limite de détection de 0,69 ng mL-1 ont été obtenues. Cette performance est comparable à celle des kits ELISA commerciaux. La fiabilité et la spécificité de la réponse ont été vérifiées par le biais de contrôles négatifs sur trois protéines, en l’occurrence le fibrinogène, le cytochrome c et l’albumine de sérum bovin, et validées par des mesures complémentaires de microbalance à cristal de quartz.La troisième partie de ce travail est consacrée à l’étude, par microscopie de fluorescence in situ, de l’organisation de la monocouche résultant des trois procédures d’auto-assemblage précitées. Ces mesures ont permis la mise en évidence d’une distribution hétérogène de la densité en sondes, et plus particulièrement la présence d’agrégats. Ceux-ci ne peuvent être désorbés de la surface par l’application de potentiels même très négatifs (-1,450 V vs Ag / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les promesses de la médecine de précision dépendent de nouvelles solutions technologiques pour le diagnostic. Dans l’aire post-génomique, les approches de biologie synthétique pour la médecine apportent de nouvelles façon de sonder, monitorer et interfacer la physiopathologie humaine. Émergeant en tant que champ scientifique mature dont la transition clinique s’accélère, la biologie synthétique peut être utilisée pour appliquer des principes d’ingénierie afin de concevoir et construire des systèmes biologiques comprenant des spécifications cliniques. Une application particulièrement intéressante est de développer des outils diagnostiques polyvalents, programmables et intelligents étroitement interconnectés avec la thérapie. Cette thèse présente de nouveaux concepts et approches d’ingénierie pour concevoir des dispositifs biosynthétiques capable d’interfacer les maladies humaines dans des échantillons cliniques en exploitant du traitement de signal au niveau biomoléculaire, à la lumière d’un besoin croissant en termes de capacités et de robustesse. Cette thèse s’intéresse en premier lieu à l’ingénierie de circuits synthétiques de gènes, reposant sur les portes logiques à integrases, pour intégrer des opérations modulaires et programmables de biodétéction de biomarqueur associées à des algorithmes de décisions au sein de population de bactéries. Elle s’intéresse ensuite à des méthodologies systématiques dites bottom-up, pour programmer des protocellules synthétiques microscopiques, capables d’exécuter des opérations de biodétéction médicale et de biocomputation. Nous décrivons le développement de méthodes simples de fabrications microfluidique associées à des solutions pour implémenter des opérations Booléenne complexes en utilisant de circuits biochimiques synthétiques. Cette contribution s’élargit aussi à la caractérisation de l’espace de conception de protocellules à l’aide d’approches de design assisté par ordinateur, ainsi que à l’analyse de preuves mathématiques et biologiques pour l’utilisation de protocellules comme des dispositifs universels de calcul. L’articulation des principes biologiques fondamentaux avec les implications médicales concernant les dispositifs biosynthétiques développés dans ce travail, a été jusqu’à la validation clinique, et initie de nouveaux modèles pour le développement de diagnostics de nouvelle génération. Ce travail prévoit que la biologie synthétique est en train de préparer le future de la médecine, en supportant et accélérant le développement de diagnostics avec de nouvelles capacités, apportant un progrès biotechnologique direct depuis le laboratoire de biologie clinique jusqu’au patient. / The promise for real precision medicine is contingent on novel technological solutions to diagnosis. In the post-genomic era, synthetic biology approaches to medicine provide new ways to probe, monitor and interface human pathophysiology. Emerging as a mature field increasingly transitioning to the clinics, synthetic biology can be used to apply engineering principles to design and build biological systems with clinical specifications. A particularly tantalizing application is to develop versatile, programmable and intelligent diagnostic devices closely interconnected with therapy. This thesis presents novel engineering concepts and approaches to design synthetic biological devices interfacing human diseases in clinical samples through biomolecular digital signal processing, in light of a need for dramatic improvements in capabilities and robustness. It addresses primarily the engineering of synthetic gene circuits through integrase based digital genetic amplifiers and logic gates, to integrate modular and programmable biosensing of biomarkers and diagnostic decision algorithms into bacteria. It then investigates systematic bottom-up methodologies to program microscale synthetic protocells performing medical biosensing and biocomputing operations. We demonstrate streamlined microfluidic fabrication methods and solutions to implement complex Boolean operation using integrated synthetic biochemical circuits. This contribution also extends to the characterization of protocell design space through novel computer assisted design frameworks, as well as the analysis of mathematical and biological evidence for universal protocellular biocomputing devices. The articulation of biological governing principles and medical implications for the synthetic devices developed in this work was further validated in the clinic, and initiates new models towards next-generation diagnostics. This work envisions that synthetic biology is preparing the future of medicine, supporting and speeding up the development of diagnostics with novel capabilities to bring direct improvement in biotechnologies from the clinical lab to the patient.