Biologically controlled mineralization implies that organisms devote a part of their physiological activity to build up a specific mineralized skeleton. A preliminary comprehensive general view of the morphology and physiology of a given organism is therefore required before trying to understand where and how its biomineralizing system functions. Furthermore, the entire biomineralization sequence is not mediated by purely inorganic mineralogical rules but rather by a cellular machinery. Accordingly, a mineralogical characterization should be linked to a histological and cytological investigation of mineralizing cells to understand how a skeleton is produced. In the present thesis, we developed such a multi-disciplinary approach of some biomineralization processes of the massive basal skeleton in a few Recent hypercalcified sponges, likely survivors from Palaeozoic and early Mesozoic seas.<p>The three first chapters of this thesis are dedicated to the Mediterranean Calcarea Petrobiona massiliana, a conveniently accessible living hypercalcified sponge whereas all other Recent hypercalcified species are tropical and less easily reached. This model species permitted an initial morphological approach followed by an integrated biological and mineralogical study of biomineralization mechanisms. The fourth chapter aims at the comparative mineralogical study of the basal skeleton of eight tropical Recent hypercalcified demonsponges.<p>In the first chapter, important modifications and/or morphogenesis at the tissular or cellular level in response to life cycle phases and environmental conditions were depicted in specimens of Petrobiona massiliana. A survey of “storage cells” filling trabecular tracts, which are specific to P. massiliana, suggested that these cells may provide energy and a pool of toti- or pluripotent cells able to restructure the aquiferous system and repopulate cell types like pinacocytes. This potentiality of "storage cells would allow the sponge to sustain important physiological activities, like calcification, along its life cycle. Furthermore, basopinacocytes, cells delineating basally the soft tissue from the underlying basal skeleton, were identified through ultrastructural observations as the most probable cell type involved in the formation of the basal skeleton.<p>In the second chapter, the skeleton was found to be composed of ca. 50 to 100 nm crystallized grains as the smallest skeletal units, likely initially deposited in a mushy amorphous state. TEM and SEM observations further highlighted that these submicronic grains were assembled in clusters or fibres, the later even laterally associated into bundles. A model of crystallization propagation through amorphous submicronic granular units is proposed to explain the single-crystal feature of these micron-scale structural units, as demonstrated by selected area electron diffraction (SAED) in TEM. Finally, these units were assembled into a defined microstructure forming flattened growth layers called "sclerodermites", which superposed to produce the massive basal skeleton. In addition, X-ray diffraction (XRD) and energy electron loss spectroscopy (EELS) analyses highlighted respectively heterogeneous concentration and spatial distribution of Mg and Ca ions in the skeleton and structural units. This characterization highlighted mineralogical features, not conforming to the inorganic principles, and presuming a highly biologically regulated construction of the basal skeleton.<p>Accordingly, in the third chapter, it arose that the endomembrane system of basopinacocytes might play a dual function in the production and transport of both mineralizing ions and organic matrices. Combining partial decalcification methods with histochemical dyes and observing ultra-thin sections of the mature basal skeleton in TEM, very spatially and functionally diverse organic matrix components were found to occur in growing and mature portions of the skeleton. The following model of biomineralization was proposed for Petrobiona massiliana: basopinacocytes would use the endomembrane system pathway to produce and carry organic-coated submicronic amorphous grains in a mushy state within intracellular vesicles. These would then be released through the basal cell membrane toward the growing layer of the skeleton, where a highly structured gel-like organic framework, rich in sulfated/acidic GAGs-rich macromolecules, secreted by basopinacocytes, would ensure their assemblage into oriented fibres or clusters.<p>In the fourth chapter, the basal skeleton of eight tropical Recent hypercalcified species belonging to demosponges: Acanthochaetetes wellsi, Willardia caicosensis, Astrosclera willeyana, Ceratoporella nicholsoni, Goreauiella auriculata, Hispidopetra miniana, Stromatospongia norae and Calcifibrospongia actinostromarioides, were compared. Some mineralogical nano- to submicronic patterns already observed in the Calcarea P. massiliana, appeared as general features: the occurrence of submicronic granular units, their coherent assemblage into monocrystalline fibres and bundles and the likely presence of organic material around all structural units. Additional features brought new insights in our comprehension of biomineralization mechanisms in hypercalcified sponges. Among them, micro-twin and stacking-fault planes aligned with the fibres/bundles axis and crossing over submicronic granular units characterized the skeleton of most aragonitic species. This highly supports the crystallization propagation model proposed for P. massiliana, although it additionally suggests that it should occur only after the oriented assemblage of submicronic grains. Furthermore, lighter transverse striations separated by few nanometres occurred systematically in fibres and bundles of the eight basal skeletons investigated, suggesting the involvement of nanoscale intracrystalline fibrils in the biological control.<p>In conclusion, this comparative study of nine Recent hypercalcified sponges belonging to phylogenetically distant taxa resulted in the proposition of a shared biomineralization model based on the production of micron and submicron-scale structural units to build up macro-scale basal skeletons under a high biological control. We suggest that the cellular toolkit used for the biologically controlled biomineralization in these sponges is very ancient<p>and was already developed by their early Palaeozoic ancestors. Furthermore, this model supports recent concepts of calcium carbonate biomineralization developed for example in corals, molluscs and echinoderms, suggesting an even more universal and ancestral character of initial biomineralization mechanisms in all Metazoa producing a calcium carbonate skeleton.<p><p>La minéralisation biologiquement contrôlée implique qu’un organisme consacre une partie de son activité physiologique à l'élaboration de son squelette. La connaissance de sa morphologie et de sa physiologie est donc une étape préliminaire indispensable pour comprendre les mécanismes de formation de celui-ci. L’entièreté du processus de biominéralisation ne dépend pas simplement de principes fondamentaux issus de la minéralogie inorganique mais aussi de mécanismes cellulaires particuliers. La caractérisation minéralogique d'un squelette devrait donc être systématiquement liée à une étude histologique et cytologique des cellules impliquées dans la formation du biominéral. La thèse présentée ici a suivi une telle approche multidisciplinaire de certains mécanismes de biominéralisation du squelette basal de plusieurs éponges hypercalcifiées actuelles, considérées comme reliques d'espèces plus anciennes du Paléozoïque et Mésozoïque.<p>Les trois premiers chapitres de cette thèse concernent l'espèce calcaire de Méditerranée, Petrobiona massiliana, une éponge hypercalcifiée actuelle plus accessible que d'autres principalement distribuées dans les mers tropicales. Une approche de sa morphologie générale a été réalisée en préliminaire à une étude de ses mécanismes de biominéralisation, intégrant une caractérisation minéralogique et biologique. Le quatrième chapitre compare d’un point de vue minéralogique le squelette basal de huit autres espèces hypercalcifiées tropicales appartenant aux démosponges.<p>Au cours du premier chapitre, d'importantes modifications morphogénétiques à l'échelle tissulaire et cellulaire, liées à certaines phases du cycle biologique et aux conditions environnementales, ont ainsi été mises en évidence chez Petrobiona massiliana. Par l'observation de modifications de l'organisation et de l'ultrastructure des cellules de réserves remplissant les cordons trabéculaires, structures spécifiques de l'espèce, un rôle dans l'approvisionnement nutritif des cellules de l'éponge ainsi qu'un caractère toti- ou pluripotent leur ont été conférés. Les fonctions potentielles de ces cellules dites de réserves pourraient permettre à l'éponge de maintenir des activités physiologiques importantes, telles que la calcification, au cours de son cycle vital. Finalement, l'analyse ultrastructurale des tissus de P. massiliana a permis d'identifier les basopinacocytes, cellules délimitant les tissus mous du squelette basal, comme le type cellulaire ayant le plus de probabilité d'être impliqué dans la formation de ce dernier.<p>Dans le deuxième chapitre, des granules de 50 à 100 nm de diamètre se sont avérés les plus petites unités structurales du squelette basal de Petrobiona massiliana, probablement déposées initialement dans un état amorphe à consistance molle. Des observations en MEB et MET ont mis en évidence l'assemblage de ces granules en amas ou fibres, ces dernières étant elles-mêmes latéralement associées en faisceaux. Un modèle impliquant la propagation de la<p>cristallisation au travers de ces assemblages de granules submicroniques a été établi pour expliquer le caractère monocristallin des unités microstructurales, démontré par diffraction électronique en MET. Leur assemblage en une microstructure particulière produisant des couches\ / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La division cellulaire asymétrique est un mécanisme fondamental qui assure la diversité cellulaire, le renouvellement des cellules souches et le maintien de l’identité cellulaire. Elle dépend du bon positionnement du fuseau mitotique car il dicte le plan de division des cellules. La première division des embryons de C. elegans, est asymétrique et génère deux cellules fille de taille et devenir différents. Elle consiste en deux étapes : la centration des pronoyaux en prophase puis le déplacement postérieur du fuseau mitotique en anaphase. Lors de l'anaphase le fuseau subit des oscillations transverses plus marquées au pôle postérieur qu’au pôle antérieur. Ces mouvements sont contrôlés par des forces de traction agissant sur les microtubules astraux. Les générateurs de force ont été moléculairement identifiés et sont évolutivement très conservés. Un complexe composé de protéines Gα, liées à GPR (protéine à domaine GoLoco, homologue de LGN/Pins), à LIN-5 (protéine à domaine super-enroulé, homologue de NuMA/Mud) et à la dynéine serait ancré au cortex et activé en début de mitose pour tirer le fuseau. En analysant la première division d’une espèce proche de C. elegans : C. briggsae, on observe des variations de trajectoire du fuseau. Les embryons de C. briggsae présentent un décalage antérieur des noyaux en prophase et les oscillations du fuseau sont réduites en anaphase. La combinaison de perturbations physiques et l'analyse de mutants dans ces espèces, ont montré que ces différences s’expliquent par des changements dans la régulation du complexe ternaire. Mais, nous avons découvert que dans les deux espèces 1) un switch positionnel conservé contrôle le démarrage des oscillations du fuseau, 2) la localisation postérieure de GPR détermine ce switch positionnel, et 3) l'amplitude maximum des oscillations est déterminée en partie par le temps passé dans la phase oscillatoire. Nous avons utilisés ces variants pour corréler les phénotypes, la localisation de GPR et la divergence de séquence entre espèces afin d’identifier les éléments de régulation de cette protéine. Nous avons alors échangé les protéines et construits des protéines chimères entre les deux espèces. Enfin, par optogénétique, nous avons essayé de contrôler la localisation temporelle de GPR et analyser les conséquences sur les mouvements des noyaux et du fuseau. En étudiant la microévolution d'un processus sous-cellulaire, nous avons identifié de nouveaux mécanismes qui contribuent à la compréhension du positionnement du fuseau. / Asymmetric cell division is a fundamental mechanism essential in all organisms to assure cell diversity, stem cell renewal and cellular identity maintenance. It is relying on proper mitotic spindle positioning because it dictates the cell division plan. In C. elegans one-cell embryos, the first division is asymmetric and gives rise to two daughter cells of unequal size and fate. It occurs in two steps: pronuclei centration during prophase and spindle posterior displacement during anaphase. During anaphase, the mitotic spindle undergoes transverse oscillations that are more pronounced for the posterior than the anterior pole. These movements are controlled by pulling forces acting on astral microtubules. The force generators are identified and are evolutionary conserved. A complex made of Gα proteins, linked to GPR (a GoLoco containing protein, the LGN/Pins homologues), LIN-5 (a coiled-coil protein, the NuMA/Mud homologues) and dynein is thought to be anchored at the cortex and activated at the onset of mitosis to pull on the spindle. We identified variations in spindle trajectories by analyzing the outwardly similar one-cell stage embryo of a close relative of C. elegans, C. briggsae. Compared to C. elegans, C. briggsae embryos exhibit an anterior shifting of nuclei in prophase and reduced anaphase spindle oscillations. By combining physical perturbations and mutant analysis in both species, we show that differences can be explained by inter-species changes in the regulation of the cortical Gα/GPR/LIN-5 complex. However, we uncover that in both species 1) a conserved positional switch controls the onset of spindle oscillations, 2) GPR posterior localization may set this positional switch, and 3) the maximum amplitude of spindle oscillations is determined in part by the time spent in the oscillating phase. Interestingly, GPR is poorly conserved at the amino acid level between these species. We use these variants to correlate phenotypes, GPR localization and sequence divergence to identify GPR regulatory elements. To this end, we performed protein replacement between species, as well as analysis of protein chimeras. Finally we tried to use optogenetics in order to control GPR localisation temporally and analyze the consequences on pronuclei and spindle movements during the first division. By investigating microevolution of a subcellular process, we identified new mechanisms that are instrumental to decipher spindle positioning.

Récemment, il y a eu une hausse massive du trafic dans les réseaux mobiles à cause de nouveaux services et applications. Les architectures actuelles des réseaux cellulaires ne sont plus capables de gérer de façon satisfaisante ce trafic. Les Réseaux de Petites Cellules (RPC), basées sur un déploiement dense de stations de bases portables, autoorganisantes et efficaces en termes d’énergie apparait comme une solution prometteuse à ce problème. Les RPC augmentent la capacité du réseau, réduisent sa consommation énergétique et améliorent sa couverture. Par contre, elles posent des défis importants en termes de design optimal. Dans cette thèse, des aspects liés au design cellulaire et à l’allocation de ressources dans les RPC sont traités. La thèse se compose de deux parties. Dans la première partie, le design cellulaire est étudié : une population statique d’utilisateurs est considérée, et la taille optimale de cellule maximisant le débit spatial est donnée en fonction du modèle de récepteur, des conditions radio et des partitions indoor/outdoor. En considérant des utilisateurs mobiles, la taille de cellule optimale est étudiée afin de minimiser le temps de service, et minimiser le blocage et la déconnexion en cours de communication, en fonction de la vitesse des utilisateurs et du type de trafic. Le problème de placement des stations de base optimal est traité en fonction de différents critères de qualité (maximisation de débit total, équité proportionnelle, minimisation de délai, équité max-min) pour différentes distributions d’utilisateurs et partitions de cellules. Le problème de scaling de capacité dans un RPC limité par l’interférence avec pré-codage est étudié, et la quantité optimale d’antennes par utilisateurs en fonction de l’interférence inter-cellules est dérivée. Dans le cadre d’un réseau “green”, pour une charge du réseau donnée, on étudie les politiques optimales en boucle ouverte, afin de maximiser soit une fonction coût du système (contrôle centralisé) soit des fonctions de coût de chacune des stations de base (contrôle distribué). Dans la seconde partie, nous étudions l’allocation de ressources, nous introduisons les concepts de d’équité T-échelle et équité multi-échelle. Ces concepts permettent de distribuer les ressources équitablement pour les différentes classes de trafic. Ces concepts sont illustrés par des applications au partage de spectre et à l’allocation de ressources dans les femto-cellules indoor/outdoor. L’allocation de puissance pour satisfaire les demandes de trafic des utilisateurs avec un grand nombre d’interféreurs est une tâche difficile. Ce problème est abordé, et nous proposons un algorithme universel qui converge vers une configuration de puissance optimale qui satisfait les demandes des utilisateurs dans toutes les stations de base. Les performances de l’algorithme sont illustrées pour différentes configurations du système et différents niveaux de coopération entre les stations de base. / An ever increasing demand for mobile broadband applications and services is leading to a massive network densification. The current cellular system architectures are both economically and ecologically limited to handle this. The concept of small-cell networks (SCNs) based on the idea of dense deployment of self-organizing; low-cost, low-power base station (BSs) is a promising alternative. Although SCNs have the potential to significantly increase the capacity and coverage of cellular networks while reducing their energy consumption, they pose many new challenges to the optimal system design. Due to small cell sizes, the mobile users cross over many cells during the course of their service resulting in frequent handovers. Also, due to proximity of BSs, users (especially those at cell edges) experience a higher degree of interference from neighboring BSs. If one has to derive advantages from SCNs, these alleviated effects have to be taken care either by compromising on some aspects of optimality (like dedicating extra resources) or by innovating smarter algorithms or by a combination of the two. The concept of umbrella cells is introduced to take care of frequent handovers. Here extra resources are dedicated to ensure that the calls are not dropped within an umbrella cell. To manage interference, one might have to ensure that the neighboring cells always operate in independent channels or design algorithms which work well in interference dominant scenarios or use the backhaul to incorporate BS cooperation techniques. Further, small cell BS are most often battery operated, which calls for efficient power utilization and energy conservation techniques. Also, when deployed in urban areas, some of the small cells can have larger concentration of users throughout the cell, for example, hot-spots, which call in for design of SCNs with dense users. Also, with portable BSs, one has the choice to install them on street infrastructure or within residential complexes. In such cases, cell design and resource allocation has to consider aspects like user density, distribution (indoor/outdoor), mobility, attenuation, etc. We present the thesis in two parts. In the first part we study the cell design aspects, while the second part deals with the resource allocation. While the focus is on SCNs, some of the results derived and the tools and techniques used are also applicable to conventional cellular systems.

Les futures applications sans fil anticipent une explosion de la pléthore de cas d'utilisation et de services, qui ne peut être soutenue par des améliorations incrémentielles des schémas de communication existants. Pour cela, deux axes de recherche sont particulièrement intéressants: la densification du réseau à l'aide de petites cellules et la communication par ondes millimétriques (ondes millimétriques). Dans cette thèse, nous modélisons et évaluons des réseaux cellulaires constitués de petites cellules à ondes millimétriques utilisant la technique d'accès multi-radio (RAT) déployées au-dessus de la macro-architecture existante. Premièrement, nous modélisons mathématiquement un déploiement homogène de petites cellules multi-RAT et caractérisons les performances de l'utilisateur et du réseau en termes de probabilité de couverture signal sur brouillage plus rapport de bruit (SINR), de débit descendant et de probabilité de surcharge de cellule. Ensuite, nous étudions l'association des utilisateurs à différents niveaux et la sélection optimale de différents RAT, de manière à optimiser ces mesures de performance. En règle générale, les modèles de réseau cellulaire qui supposent des déploiements homogènes de petites cellules ne tiennent pas compte des nuances des caractéristiques de blocage urbain. Pour résoudre ce problème, nous modélisons les emplacements de petites cellules le long des routes d'une ville, puis nous prenons en compte les blocages de signaux dus à la construction d'immeubles ou au déplacement de véhicules sur les routes. Sur ce réseau, nous supposons que l’opérateur prend en charge trois types de services v.i.z., les communications ultra-fiables à faible temps de latence (URLLC), les communications massives de type machine (mMTC) et le haut débit mobile amélioré (eMBB) avec des besoins différents. En conséquence, nous étudions la sélection optimale de RAT pour ces services avec divers blocages de véhicules. Enfin, sur la base du modèle de déploiement sur route de petites cellules à ondes millimétriques, nous étudions un réseau conçu pour prendre en charge simultanément des services de positionnement et de données. Nous caractérisons la précision du positionnement en fonction des limites de la localisation, puis étudions des stratégies optimales de partitionnement des ressources et de sélection de la largeur de faisceau afin de répondre à diverses exigences de positionnement et de débit de données. / Future wireless applications anticipate an explosion in the plethora of use-cases and services, which cannot be sustained by incremental improvements on the existing communication schemes. For this, two research directions are particularly attractive: network densification using small cells and millimeter wave (mm-wave) wave communications. In this thesis, we model and evaluate cellular networks consisting of multi-radio access technique (RAT) mm-wave small cells deployed on top of the legacy macro-architecture. First, we mathematically model a homogeneous deployment of multi-RAT small cells and characterize the user and network performance in terms of signal to interference plus noise ratio (SINR) coverage probability, downlink throughput, and the cell overloading probability. Then, we study users association to different tiers and optimal selection of different RATs, so as to optimize these performance metrics. Generally, cellular network models that assume homogeneous deployments of small cells fail to take into account the nuances of urban blockage characteristics. To address this, we model the small cell locations along the roads of a city, and subsequently, we take into consideration the signal blockages due to buildings or moving vehicles on the roads. In this network, we assume that the operator supports three types of services v.i.z., ultra-reliable low-latency communications (URLLC), massive machine-type communications (mMTC), and enhanced mobile broadband (eMBB) with different requirements. Consequently, we study the optimal RAT selection for these services with varying vehicular blockages. Finally, based on the on-road deployment model of mm-wave small cells, we study a network designed to support positioning and data services simultaneously. We characterize the positioning accuracy based on the localization bounds and then study optimal resource partitioning and beamwidth selection strategies to address varied positioning and data-rate requirements.

Throughout this work, we looked at P2X coupled pathways in macrophages. We worked on three different models of macrophages in order to establish the best model to understand the role of P2X4 receptors in the inflammation. Our work also consisted of further characterizing P2X7 receptor dependent pathways in these models. <p>P2X4 and P2X7 receptors are ionotropic receptors which are expressed by a variety of immune cells including macrophages. Macrophages play a very important host defense function as they are major actors in the innate immune system and they can initiate the activation of the adaptive immune system. The endogenous ligand of P2X receptors is ATP for which they share very different sensitivities. P2X4 receptors are relatively sensitive to this agonist while P2X7 receptors require concentrations > 100 μM ATP to be activated. <p>Our study supports the expression of P2X4 and P2X7 receptors in J774.2 murine macrophages and in human macrophages. Additionally, we worked on murine peritoneal macrophages for which the existence of P2X4 and P2X7 receptor expression had previously been shown in our lab. <p>A wide range of different macrophage phenotypes exist. Two extremes determine an array of phenotypes which are delimited by M1 pro-inflammatory macrophages and M2 anti-inflammatory macrophages while Mφ macrophages define the center of the array. Most of the work exposed in this study was carried out on pro-inflammatory macrophages which were obtained either by priming the cells with LPS alone (Mφ + LPS) or by polarizing them with LPS in association with IFNγ (M1). <p>We show in this study that LPS-primed J774.2 murine macrophages are not a good model to study the role of surface P2X4 receptor in pro-inflammatory macrophages. Additionally, we support that murine peritoneal macrophages primed with LPS are a good model to understand the hypothetical role of P2X4 receptors in the inflammation. Finally, we suggest that human M1 macrophages could be as well. Next, we also confirm that J774.2 murine macrophages, murine peritoneal macrophages and human macrophage express functional P2X7 receptors. In this study, we show that P2X7 receptors are coupled to RONS formation in J774.2 murine macrophages and to AA release through PLA2 activation in peritoneal macrophages. We show that activation of J774.2 murine macrophages with high concentrations of ATP (>600 μM) stimulates ROS formation including mitochondrial superoxide anions. In addition, our work shows the importance in using different dyes and suggests that different types of ROS play different functions in P2X7 receptors downstream pathways. <p>Next, we show that P2X7 receptor activation is coupled to an iPLA2 activity and that the release of free fatty acids mediated by 1 mM ATP is p-ERK1/2 dependent in LPS-primed murine peritoneal macrophages. <p>In addition, we have evaluated the effect of hypoxia on pathways which have been reported to be coupled to P2X7 receptor activation in pro-inflammatory human macrophages. Hypoxia does not seem to modulate P2X7 receptor functionality. However, both acute and chronic hypoxia influenced P2X7 receptors downstream pro-inflammatory coupled pathways. Finally, our work has enabled us to suggest for the first time that IFNγ plays an important function in host defense mediated by human P2X7 receptor activation in a hypoxic environment. <p>The effect of extracellular environment and thus different macrophage phenotypes have also been evaluated throughout this work in which we looked at the effect of polarization on P2X4 and P2X7 receptor functionality. Our work shows that LPS-priming does not modulate P2X4 receptor functionality in murine macrophages. Next, through our work, we suggest that polarization of human macrophages affects P2X4 receptor functionality in human macrophages. Additionally, our work shows that LPS affects ATP-mediated RONS formation in J774.2 murine macrophages but not P2X7-mediated AA release in primary murine macrophages. <p><p>Overall, first, our work has enabled us to suggest macrophage models to use in order to study the hypothetical role of P2X4 receptor in the inflammation mediated by macrophages. Second, it has allowed us to further understand how P2X7 receptors can act as important mediators of the immune system mediated by macrophages. In addition, many interesting observations were made in this study which allows us to propose several options for future directions. To finish, our work underlines the importance of the extracellular environment in some pathways mediated by ATP in macrophages.<p> / Doctorat en sciences pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La synthèse de protéines recombinantes chez les microorganismes est d'un intérêt majeur pour la production de produits biopharmaceutiques, thérapeutiques et enzymatiques industriels. Cependant, la surproduction de protéines a un effet néfaste sur la physiologie cellulaire. Les ressources cellulaires (métabolites, énergie, machinerie moléculaire, espace cytosolique, etc.) sont en effet partagées entre les protéines de l'hôte et la protéine "gratuite". Cette surcharge non naturelle entraîne une croissance plus lente et des rendements en protéines plus faibles, un phénomène connu sous le nom de "burden". Dans mon projet de doctorat, il s'agissait (1) de déchiffrer les conséquences de la surproduction de protéines gratuites sur la physiologie cellulaire, (2) d'identifier le type de ressources limitantes, et (3) de surmonter cette limitation pour améliorer la production de protéines. Afin de déchiffrer les conséquences de la surproduction de protéines (1), nous avons analysé le taux de croissance, la production de protéines d'intérêt et le protéome de souches de Bacillus subtilis surproduisant divers niveaux de protéines rapportrices. Les protéines rapportrices ont été choisies de manière à être facilement quantifiables par fluorescence et par des tests d'activité (i.e. GFP, mKate2, LacZ, etc.). Pour obtenir les différents niveaux d'expression, nous avons construit des séquences synthétiques par assemblage de promoteurs constitutifs et inductibles et de régions d'initiation de traduction (TIR, RBS) variés. Nous avons ainsi montré que plus la quantité (et la taille) de la protéine produite était élevée, plus les taux de croissance étaient faibles et plus la taille des cellules était élevée. Par exemple, le taux de croissance a diminué de plus de 20 % lorsque la GFP était surproduite à plus de 5 % de la quantité totale de protéines solubles, selon des quantifications biochimiques et de fluorescence. Pour identifier le type de ressources limitantes (2), nous avons effectué une quantification relative des protéines sur les souches surproductrices de GFP et montré que certaines protéines non essentielles étaient moins abondantes dans ces souches. Nous avons ensuite dégradé spécifiquement les protéines rapportrices à l'aide d'un outil de biologie de synthèse précédemment mis au point pour B. subtilis, afin que les acides aminés puissent être recyclés dans le pool de ressources cellulaires. Avec une dégradation de 50-60% de GFP et mKate2, nous avons observé une restauration de 50% du taux de croissance. Ces résultats suggèrent que la quantité d'acides aminés (et par conséquent leur utilisation dans la synthèse des protéines) est le principal type de ressources limitantes. Pour améliorer la production de protéines (3), nous avons cherché à développer un système synthétique de recyclage des acides aminés basé sur le système de dégradation mentionné ci-dessus en surproduisant les protéases d'E. coli et B. subtilis (ClpXP) avec une protéine adaptatrice (SspB) d'E. coli. Cet outil pourrait permettre de dégrader spécifiquement des protéines non essentielles pour économiser des ressources cellulaires. Nous avons montré que la surproduction de ClpXP ou de SspB/ClpXP était suffisante pour permettre une dégradation complète des protéines produites à des niveaux bas et intermédiaires, et jusqu'à 50% des protéines fortement produites. Comme ClpXP est une protéase impliquée dans la réponse au stress, nous avons cherché à savoir si la surproduction de ClpXP pouvait avoir des conséquences négatives sur la physiologie cellulaire. Une quantification relative des protéines sur une souche surproductrice de ClpXP a montré que la surproduction de ClpXP provoque une réorganisation globale du protéome sans toutefois affecter le taux de croissance de la cellule. / Recombinant protein production in microorganisms is of great interest for the production of biopharmaceuticals, therapeutics and industrial enzymes. However, recombinant protein production has always shown a harmful effect on the microorganism cell physiology when excessively produced. Cell resources (i.e. metabolites, energy, molecular machinery, cytosolic space, etc.) are used to produce the host's proteins and the overproduced gratuitous protein. As a result, this unnatural extra load typically leads to slower growth and lower protein yields, a phenomenon known as ʻburdenʼ. This burden comes from the fact that the recombinant protein has no benefit for the microorganism, and that it only uses cell resources at the expense of the production of the endogenous essential proteins. In my PhD project, the issues were (1) to decipher the consequences of gratuitous protein overproduction on the cell physiology, (2) to identify the limiting type of resources, and (3) to overcome this limitation to improve protein production. To address the first issue (1), we analyzed growth rates, production of several proteins of interest, and genome-wide proteomes of Bacillus subtilis strains overproducing various levels of reporter proteins. The reporter proteins were chosen so that they were easily quantifiable by fluorescence and β-galactosidase activity assays (i.e. GFP, mKate2, LacZ, etc.). To obtain the various levels of expression, we built synthetic sequences made of the assembly of various constitutive and inducible promoters and translation initiation regions (TIR, RBS). Hence, we showed that higher was the amount (and size) of the protein produced, lower were the rates of growth and higher were the cell sizes. For instance, the growth rate decreased down by over 20% when GFP was overproduced above 5% of the total soluble protein amount according to both biochemical and fluorescence assays. To further identify the limiting type of resources (2), we performed a relative protein quantification on the strains overproducing GFP at different levels. Hence, we showed that some non-essential proteins were less abundant in the strains overproducing GFP. We next targeted the reporter proteins for degradation using a synthetic tool previously engineered in B. subtilis, so that amino acids can be recycled back to the pool of cell resources. Degrading the reporter gratuitous protein should also relieve the constraint on the cytosolic density by liberating intracellular space. With a degradation of 50-60% of GFP and mKate2, we observed a 50% restoration of the growth rate. This result together with the proteome analysis suggested that the amount of amino acids (and consequently their utilization in protein synthesis) was the main limiting type of resources. To overcome this limitation and improve protein production (3), we aimed at exploring a synthetic, amino acid recycling system based on the above mentioned degradation system. We decided to improve the targeted degradation system by overproducing the E. coli and B. subtilis ClpXP proteases together with an E. coli adaptor protein SspB. This tool may allow to target proteins for degradation in order to save resources and improve the production of a protein of interest. We showed that the overproduction of either ClpXP or SspB/ ClpXP were sufficient to allow a complete degradation of the proteins produced low and intermediate levels, and up to 50% of degradation of the proteins highly produced. As ClpXP is a protease involved in stress responses, we aimed to know whether the overproduction of ClpXP may have negative consequences on the cell physiology. We therefore performed relative protein quantification on a strain overproducing ClpXP. The results showed that ClpXP overproduction causes a global reorganisation on the proteome without affecting the growth rate of the cell.

Cette thèse explore le caching proactif, l'un des principaux paradigmes des réseaux cellulaires 5G utilisé en particulier le déploiement des réseaux à petites cellules (RPCs). Doté de capacités de prévisions en combinaison avec les récents développements dans le stockage, la sensibilité au contexte et les réseaux sociaux, le caching distribué permet de réduire considérablement les pics de trafic dans la demande des utilisateurs en servant de manière proactive ces derniers en fonction de leurs demandes potentielles, et en stockant les contenus à la fois dans les stations de base et dans les terminaux des utilisateurs. Pour montrer la faisabilité des techniques de caching proactif, nous abordons le problème sous deux angles différents, à savoir théorique et pratique.Dans la première partie de cette thèse, nous utiliserons des outils de géométrie stochastique pour modéliser et analyser les gains théoriques résultant du stockage dans les stations de base. Nous nous focalisons en particulier sur 1-) les réseaux ``niveau-simple" dans lesquels de petites stations de base ayant une capacité de stockage limitée, 2-) Réseaux ``niveau-multiples" avec un backbone à capacité limitée et 3-) Les réseaux ``niveau-multiples groupés" à deux topologies différentes: déploiements en fonction de la couverture et en fonction de la capacité. Nous y caractérisons les gains de stockage en termes de débit moyen fourni et de délai moyen, puis nous montrons différents compromis en fonction du nombre de stations de base, de la taille de stockage, du facteur de popularité des contenus et du débit des contenus ciblés. Dans la seconde partie de la thèse, nous nous focalisons à une approche pratique du caching proactif et nous focalisons sur l'estimation du facteur de popularité des contenus et les aspects algorithmiques. En particulier, 1-) nous établissons dans un premier lieu les gains du caching proactif à la fois au niveau des stations de base qu'au niveau des terminaux utilisateurs, en utilisant des outils récents d'apprentissage automatique exploitant le transfert des communications appareil-à-appareil (AàA); 2-) nous proposons une approche d'apprentissage sur la base de la richesse des informations transmises entre terminaux (que nous désignons par domaine source) dans le but d'avoir une meilleure estimation de la popularité des différents contenus et des contenus à stocker de manière stratégique dans les stations de base (que nous désignons par domaine cible); 3-) Enfin, pour l'estimation de la popularité des contenus en pratique, nous collectons des données de trafic d'usagers mobiles d'un opérateur de télécommunications sur plusieurs de ses stations de base pendant un certain nombre d'observations. Cette grande quantité de données entre dans le cadre du traitement ``Big Data" et nécessite l'utilisation de nouveaux mécanismes d'apprentissage automatique adaptés à ces grandes masses de données. A ce titre, nous proposons une architecture parallélisée dans laquelle l'estimation de la popularité des contenus et celle du stockage stratégique au niveau des stations de base sont faites simultanément. Nos résultats et analyses fournissent des visions clés pour le déploiement du stockage de contenus dans les petites stations de base, l'une des solutions les plus prometteuses des réseaux cellulaires mobiles hétérogènes 5G. / This thesis explores one of the key enablers of 5G wireless networks leveraging small cell network deployments, namely proactive caching. Endowed with predictive capabilities and harnessing recent developments in storage, context-awareness and social networks, peak traffic demands can be substantially reduced by proactively serving predictable user demands, via caching at base stations and users' devices. In order to show the effectiveness of proactive caching techniques, we tackle the problem from two different perspectives, namely theoretical and practical ones.In the first part of this thesis, we use tools from stochastic geometry to model and analyse the theoretical gains of caching at base stations. In particular, we focus on 1) single-tier networks where small base stations with limited storage are deployed, 2) multi-tier networks with limited backhaul, and) multi-tier clustered networks with two different topologies, namely coverage-aided and capacity-aided deployments. Therein, we characterize the gains of caching in terms of average delivery rate and mean delay, and show several trade-offs as a function of the number of base stations, storage size, content popularity behaviour and target content bitrate. In the second part of the thesis, we take a more practical approach of proactive caching and focus on content popularity estimation and algorithmic aspects. In particular: 1) We first investigate the gains of proactive caching both at base stations and user terminals, by exploiting recent tools from machine learning and enabling social-network aware device-to-device (D2D) communications; 2) we propose a transfer learning approach by exploiting the rich contextual information extracted from D2D interactions (referred to as source domain) in order to better estimate the content popularity and cache strategic contents at the base stations (referred to as target domain); 3) finally, to estimate the content popularity in practice, we collect users' real mobile traffic data from a telecom operator from several base stations in hours of time interval. This amount of large data falls into the framework of big data and requires novel machine learning mechanisms to handle. Therein, we propose a parallelized architecture in which content popularity estimation from this data and caching at the base stations are done simultaneously.Our results and analysis provide key insights into the deployment of cache-enabled small base stations, which are seen as a promising solution for 5G heterogeneous cellular networks.

Cette thèse porte sur la construction des algorithmes distribués pour l’optimisation de la production et du partage de ressources au sein d’un réseau de large dimension. Notamment, on se concentre sur les réseaux électriques et les réseaux cellulaires 5G. On considère dans le cas des réseaux électriques le problème OPF (Optimal Power Flow) dans lequel on vise à faire la gestion et l’optimisation de la production de l’énergie électrique d’une manière distribuée. On se concentre sur une version linéarisée du problème, la DC-OPF (Direct-Current Optimal Power Flow). Comme le problème d’optimisation est convexe dans ce cas, on vise à minimiser le coût de production de l’énergie tout en respectant les limites des lignes de transmission et les contraintes caractéristiques du système. Dans le cas des réseaux cellulaires, on formule un problème de Caching. On a pour but de réduire l’utilisation du backhaul liant les stations de base et le contrôleur du réseau. Les stations de base sont équipées d’une capacité de stockage limitée. Ils visent à trouver d’une manière optimale les fichiers à stocker dans le but de réduire une certaine fonction de coût sur l’utilisation du backhaul et sur le partage des fichiers avec les autres stations de base. L’approche adoptée dans cette thèse consiste à appliquer l’ADMM (Alternating Direction Method of Multipliers), une méthode d’optimisation de manière itérative, à un problème d’optimisation que l’on a préalablement reformulée de façon adéquate. Ce problème permet à la fois de décrire le DC-OPF et le problème de Caching. On démontre la convergence de cette méthode quand elle est appliquée noeud par noeudd’une manière totalement distribuée. Ainsi que dans le cas où le réseau est divisé en plusieurs zones. Ces zones peuvent se chevaucher mais aussi elles peuvent être séparées ou indépendantes. De plus, dans le contexte d’un réseau à zones, on démontre que l’application de l’ADMM d’une manière aléatoire par une seule zone converge aussi vers la solution optimale du problème. / This thesis focuses on the construction of distributed algorithms for optimizing resource production in a large interconnected system. In particular, it focuses on power grid and 5G cellular networks. In the case of power grid networks, we consider the OPF (Optimal Power Flow) problem in which one seeks to manage and optimize the production of electrical energy in a distributed manner. We focus on a linearized version of the problem, the DC-OPF (Direct- Current Optimal Power Flow) problem. This optimization problem is convex; the aim is to minimize the cost of energy generation while respecting the limits of the transmission line and the power flow constraints. In the case of 5G cellular networks, we formulate a caching problem. We aim to offload the backhaul link usage connecting the small bases stations (SBSs) to the central scheduler (CS). The SBSs are equipped with a limited storage capacity. We seek to find the optimal way to store files so as to reduce the cost on the use of backhaul and sharing files with other SBSs. The approach adopted in this thesis is to apply the ADMM (Alternating Direction Method of Multipliers), an optimization method that is applied iteratively, to an optimization problem that we adequately formulated previously. This problem can both describe the DC-OPF problem and the Caching problem. We prove the convergence of the method when applied node by node in a fully distributed manner. Additionally, we prove its convergence in the case where the network is divided into multiple areas or nations that may or may not overlap. Furthermore, in the context of a network with multiple areas, we show that the application of ADMM in a random manner by a single randomly chosen area also converges to the optimal solution of the problem.

5G est prévu pour s'attaquer, en plus d'une augmentation considérable du volume de trafic, la tâche de connecter des milliards d'appareils avec des exigences de service hétérogènes. Afin de relever les défis de la 5G, nous préconisons une utilisation plus efficace des informations disponibles, avec plus de sensibilisation par rapport aux services et aux utilisateurs, et une expansion de l'intelligence du RAN. En particulier, nous nous concentrons sur deux activateurs clés de la 5G, à savoir le MIMO massif et la mise en cache proactive. Dans le troisième chapitre, nous nous concentrons sur la problématique de l'acquisition de CSI dans MIMO massif en TDD. Pour ce faire, nous proposons de nouveaux schémas de regroupement spatial tels que, dans chaque groupe, une couverture maximale de la base spatiale du signal avec un chevauchement minimal entre les signatures spatiales des utilisateurs est obtenue. Ce dernier permet d'augmenter la densité de connexion tout en améliorant l'efficacité spectrale. MIMO massif en TDD est également au centre du quatrième chapitre. Dans ce cas, en se basant sur les différents taux de vieillissement des canaux sans fil, la périodicité d'estimation de CSI est supplémentaire. Nous le faisons en proposant un exploité comme un degré de liberté supplémentaire. Nous le faisons en proposant une adaptation dynamique de la trame TDD en fonction des temps de cohérence des canaux hétérogènes. Les stations de bases MIMO massif sont capables d'apprendre la meilleure politique d’estimation sur le uplink pour de longues périodes. Comme les changements de canaux résultent principalement de la mobilité de l'appareil, la connaissance de l'emplacement est également incluse dans le processus d'apprentissage. Le problème de planification qui en a résulté a été modélisé comme un POMDP à deux échelles temporelles et des algorithmes efficaces à faible complexité ont été fournis pour le résoudre. Le cinquième chapitre met l'accent sur la mise en cache proactive. Nous nous concentrons sur l'amélioration de l'efficacité énergétique des réseaux dotes de mise en cache en exploitant la corrélation dans les modèles de trafic en plus de la répartition spatiale des demandes. Nous proposons un cadre qui établit un compromis optimal entre la complexité et la véracité dans la modélisation du comportement des utilisateurs grâce à la classification adaptative basée sur la popularité du contenu. Il simplifie également le problème du placement de contenu, ce qui se traduit par un cadre d'allocation de contenu rapidement adaptable et économe en énergie. / 5G is envisioned to tackle, in addition to a considerable increase in traffic volume, the task of connecting billions of devices with heterogeneous service requirements. In order to address the challenges of 5G, we advocate a more efficient use of the available information, with more service and user awareness, and an expansion of the RAN intelligence. In particular, we focus on two key enablers of 5G, namely massive MIMO and proactive caching. In the third chapter, we focus on addressing the bottleneck of CSI acquisition in TDD Massive MIMO. In order to do so, we propose novel spatial grouping schemes such that, in each group, maximum coverage of the signal’s spatial basis with minimum overlapping between user spatial signatures is achieved. The latter enables to increase connection density while improving spectral efficiency. TDD Massive MIMO is also the focus of the fourth chapter. Therein, based on the different rates of wireless channels aging, CSI estimation periodicity is exploited as an additional DoF. We do so by proposing a dynamic adaptation of the TDD frame based on the heterogeneous channels coherence times. The Massive MIMO BSs are enabled to learn the best uplink training policy for long periods. Since channel changes result primarily from device mobility, location awareness is also included in the learning process. The resulting planning problem was modeled as a two-time scale POMDP and efficient low complexity algorithms were provided to solve it. The fifth chapter focuses on proactive caching. We focus on improving the energy efficiency of cache-enabled networks by exploiting the correlation in traffic patterns in addition to the spatial repartition of requests. We propose a framework that strikes the optimal trade-off between complexity and truthfulness in user behavior modeling through adaptive content popularity-based clustering. It also simplifies the problem of content placement, which results in a rapidly adaptable and energy efficient content allocation framework.

"Une très grande quantité de données est présentement générée par le séquençage de génomes et doit être analysée à l'aide d'outils informatiques. Il est donc nécessaire de développer certains programmes permettant de faire les analyses désirées et d'automatiser les tâches informatiques redondantes pour accélérer le processus d'analyse des génomes. Les données de séquençage obtenues se doivent également d'être classées efficacement et d'être facilement accessibles, de même que les outils informatiques nécessaires à leur analyse. Une base de données a donc été développée, ainsi qu'un site Web permettant de la consulter et d'utiliser les divers programmes requis. Finalement, des analyses phylogénétiques sont couramment effectuées sur les génomes séquences. Toutefois, peu d'outils permettent d'utiliser l'ordre de gènes de ces génomes à cette fin. Un programme permettant de déterminer les blocs de gènes conservés entre différents génomes et d'utiliser les paires de gènes communes pour construire des arbres phylogénétiques a donc été développé."