Les quantités et flux infinitésimaux de biomolécules électroactives émises par une cellule unique isolée en boite de Pétri peuvent être mesurés en temps réel par une ultramicroélectrode placée au contact de la cellule sécrétrice. Le travail présenté dans ce manuscrit a pour but d'étendre cette méthodologie analytique d'utilisation des microélectrodes de carbone platiné à l'étude du lien entre stress oxydant et l'effet de substances anti-cancéreuses (FcdiOH, DP1 et Fc-OH-TAM) sur des cellules tumorales du sein. Le signal ampérométrique est collecté par une microélectrode de carbone platiné positionnée à une centaine de nanomètres au-dessus d'une cellule tumorale du sein et incubée en présence d'espèces anticancéreuses de type ferrocifènes. La libération in situ des espèces réactives de l'oxygène (ROS) et de l'azote (RNS), i.e., H2O2, ONOO-, NO et NO2-, par ces cellules (MCF7 et MDA-MB-231) est analysée. Les études morphologiques montrent que les produits FcdiOH, DP1 et Fc-OH-TAM présentent un effet anti-prolifératif significatif. Le traitement avec Fc-diOH et surtout DP1 augmente significativement la production de ROS. Par contre, Fc (témoin) et Fc-OH-TAM n'ont pas ou très peu d'effet. Cela est assez surprenant pour Fc-OH-TAM, qui a l'effet anti-prolifératif le plus fort parmi les ferrocifènes testés. Fc-diOH et DP1, quant à eux, semblent induire une surproduction de NO° et/ou de NO2-, ainsi que du peroxyde d'hydrogène. Cette comparaison inédite entre études morphologiques et électrochimiques tend à montrer que les ferrocifènes agissent par deux voies qui sont complémentaires, soit via la formation de quinone méthide (Fc-OH-TAM), soit par réaction directe (DP1, Fc-diOH).

Cette étude concerne la régulation de la dormance embryonnaire des semences de tournesol (Helianthus annuus L.) par le cyanure d'hydrogène (HCN), en relation avec les formes actives de l'oxygène (FAOs) et l'éthylène (C2H4). Les semences de tournesol fraîchement récoltées sont dormantes ce qui se caractérise par une germination difficile à des températures basses (10-15 °C). Un traitement de courte durée (3 h) des embryons dormants par du HCN gazeux élimine leur dormance et permet leur germination à 10°C. Cet effet stimulateur ne résulte pas d'une activation de la voie des pentoses phosphates ou de la voie insensible au cyanure, car d'autres inhibiteurs respiratoires ne permettent pas la germination des embryons dormants à 10°C. Après traitement par du HCN, les FAOs s'accumulent dans les cellules des axes embryonnaires ce qui s'accompagne d'une oxydation (carbonylation) de protéines spécifiques qui ont été en partie identifiées. Toutefois le cyanure ne modifie pas la transcription des gènes codant pour les enzymes impliqués dans la production et la signalisation des FAOs. L'effet stimulateur du cyanure sur la germination des embryons dormants n'est pas associé à une modification de la transcription des gènes impliqués dans la biosynthèse de l'éthylène, ACC synthétase et ACC oxydase, et ne résulte pas d'une augmentation de la production d'éthylène. En revanche, le HCN augmente nettement la transcription de ERF1 (ethylene response factor 1), mais n'a pas d'effet sur la transcription de ETR2 (ethylene response 2) et de CTR1 (constitutive triple response 1). Les résultats présentés permettent de proposer un nouveau mécanisme de régulation de la dormance des semences par le cyanure.

L'objectif de ce projet est de développer une biocathode enzymatique en utilisant une laccase qui catalyse la réduction de dioxygène en eau. La laccase de T. Versicolor produite au laboratoire a été choisie sur la base de sa bonne stabilité et son potentiel redox élevé. Cette laccase a été immobilisée par liaison covalente (EDC/NHS) ou par adsorption sur la surface d'une électrode de carbone fonctionnalisée. L'activité de laccase en présence d'ABTS et le courant de réduction d'O2 ont été évalués. Le transfert direct d'électrons (TED) a eu lieu entre l'électrode et la laccase immobilisée. Pour fonctionnaliser les surfaces des électrodes de carbone deux approches ont été étudiées. Dans une première approche, les surfaces ont été électrochimiquement fonctionnalisées par réduction de sel de diazonium pour générer des groupements amines ou carboxyliques. La laccase a été ensuite immobilisée par une liaison covalente sur des surfaces fonctionnalisées par des groupements carboxyliques et le courant a atteint une densité de 25,1±6,1 µA∙cm-2. L'oxydation de cette laccase a permis d'atteindre une densité de courant de 166,8±21,4 µA∙cm-2. Une autre stratégie de fonctionnalisation des électrodes qui consiste en traitement des surfaces par plasma a été étudiée. Le procédé plasma est innovant, simple et rapide. Différentes paramètres du plasma ont été étudiés. Selon le type de plasma (air, O2 et N2), des groupements carboxyliques, carbonyles et amines/amides ont été générés. La réduction d'O2 a également été effectuée par TED. Une densité de courant de l'ordre de 108 µA∙cm-2, a été obtenue pour la laccase immobilisée d'une façon covalente sur des surfaces traitées par plasma N2.

Afin de mieux comprendre et de dépasser les limites actuelles des systèmes métal-air non-aqueux, le mécanisme de réduction de l’oxygène (ORR) a été étudié en présence de cation alcalins dans divers solvants aprotiques. Sur la base de caractérisations électrochimiques sur électrode statique et d’électrodes tournantes disque-anneau, un mécanisme unique a été proposé afin de rendre compte de l’ORR en présence de cations alcalins. De plus, les différences observées d’un solvant à l’autre ont été expliquées en termes de capacité du solvant à solvater à la fois le cation alcalin en présence et l’anion superoxyde, mais aussi à sa capacité à séparer les paires d’ions. Un modèle cinétique basé sur ce mécanisme a montré un excellent accord avec les résultats expérimentaux. / In order to better understand and overcome the current limitations of non-aqueous metal-air batteries, the oxygen reduction reaction (ORR) mechanism has been studied in presence of different alkali metal cations in several aprotic solvents. Based on electrochemical characterizations on static electrode and rotating ring-disk electrode, a unique mechanism has been proposed to account for ORR in presence of alkali metal cations. It has been further showed that the differences observed from one solvent to another could be linked to the solvent’s ability to solvate both the alkali metal cation and the superoxide anion, as well as its capability to separate ion-pairs. A kinetic model based on this mechanism has shown very good agreement with experimental results.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La technologie des membranes céramiques pour la production d’oxygène pur connaît un intérêt croissant pour remplacer le procédé de distillation cryogénique, très coûteux sur le plan énergétique. Cependant, à l’heure actuelle, les flux d’oxygène produits par la technologie membranaire ne sont pas suffisamment élevés pour être économiquement viable à l’échelle industrielle. Il est donc nécessaire d’améliorer les performances des membranes. Les résultats obtenus à travers ce travail de thèse, à l’aide d’un dispositif original, nous ont permis de mieux cerner les paramètres architecturaux permettant l’amélioration du flux de semi-perméation à l’oxygène en fonction des mécanismes limitant le transport de l’oxygène à travers la membrane. De ce fait, il est possible d’orienter les recherches vers des architectures plus complexes répondant au moins partiellement aux objectifs industriels. / The technology of ceramic membranes for oxygen separation knows a great interest due to high energetic efficiency in comparison with the cryogenic distillation process. However, for now, the oxygen fluxes produced by the membrane technology are not high enough for industrial applications. It is therefore necessary to improve the performances of the membranes. The results obtained in this work, using an original device, allowed us to a better understanding of the influence of architectural parameters on the oxygen flux and on the mechanisms limiting the transport of oxygen through the membrane. As a result, it is possible to investigate new architectures of membrane of which the oxygen flux could be close to industrial targets.

Le développement fondamental de ces thématiques est intimement lié à la nanochimie. Deux aspects importants de la nanochimie sont: la compréhension des propriétés chimiques particulières et la réactivité des nanoparticules qui contiennent un petit nombre d’atomes et les applications pour les nanotechnologies. Pour ce faire, cela nécessite le contrôle des synthèses et de la stabilité des nanoparticules individuelles, mais aussi de leurs assemblages afin de produire des nanostructures plus complexes. De plus, les recherches liées aux changements des propriétés structurales, catalytiques et physiques des nanostructures en fonction de la taille et de la forme des nanoparticules sont indispensables afin d’envisager des transferts de technologie. Les nanoparticules métalliques constituent un des états de la matière condensée. Ces systèmes présentent des propriétés spécifiques dues à leur taille, leur forme et diffèrent de celles du même matériau à l’état massif. Puisque les propriétés d’un matériau sont avant tout liées à son état de surface, on peut considérer ces nanoparticules comme des objets massifs mais délimités par les atomes formant la surface rendant donc leurs propriétés chimiques et physiques très fortement dépendantes de leur taille, leurs forme et de la présence de molécules à la surface. D’ailleurs, la versatilité des propriétés optiques, magnétiques, thermodynamiques, électrochimiques, de conductivité, de transport électronique etc., est déjà mise en évidence, non seulement pour des nanoparticules de tailles mais aussi de formes différentes. Un autre paramètre important, qui reste encore peu pris en compte aujourd’hui, est la cristallinité des nanoparticules dont le contrôle est un domaine de recherche ouvert. Aussi, malgré les problèmes de synthèse des nanocristaux de structure cristalline déterminée, de nombreuses études se sont développées ces vingt dernières années. Ces vingt dernières années, non seulement des études des propriétés chimiques et physiques d’une collection de nanoparticules ont été intensivement réalisées mais la caractérisation de leurs assemblages soit en réseau hexagonal compact (2D) soit à 3D selon une structure cristalline bien déterminée a fait l’objet de nombreuses études. Ces assemblages ont ouvert une nouvelle voie de recherche. En effet, les propriétés chimiques et physiques ne sont plus celles du nanocristal, ni même celle du même matériau à l’état massif mais sont propres à leur assemblage. Des propriétés collectives émergent. Certaines sont dues à des interactions dipolaires induites entre nanocristaux ou encore des propriétés intrinsèques dues à l’assemblage lui-même. Ces assemblages restent un immense domaine de recherche à explorer avec des propriétés chimiques et physiques qu’il est difficile de prédire. La richesse des potentialités de ces nanostructures devrait permettre d’aboutir à des applications importantes tant dans le domaine de l’énergie, de l’environnement, des transports que de la médecine. / The extensive and fundamental development of these problems was determined by nanochemistry. Nanochemistry, in turn, has two important aspects. One of these is associated with gaining insight into the peculiarities of chemical properties and the reactivity of particles comprising a small number of atoms, which lay new foundations of this science. Another aspect, correlated to nanotechnology, consists of the application of nanochemistry to the synthesis, modification, and stabilization of individual nanoparticles and also for their directed self-assembling to give more complex nanostructures. Moreover, the possibility of changing the properties of synthesized structures by regulating the sizes and shapes of original nanoparticles deserves attention. This thesis attempts to provide some answers to the many open questions to date: 1 - Is it easy to control the size and the crystal structure, called nanocrystallinity, nanoparticles of cobalt? What are the consequences for stability during the process of oxygen diffusion? 2 - Can we achieve binary assemblies involving cobalt nanocrystals of different nanocrytallinites. What are the consequences of nanocrystallinity in these assemblies? In order to answer the above two questions, this thesis is organized in four parts. The first part deals with the recent advances in Kirkendall effect, which is demonstrated to be mainly involved during the oxidation reaction of metals, and also the general view on the assembly and collective properties of binary nanoparticle superlattices. The second part deals with the oxygen diffusion through Co nanocrystals. We describe the various parameters involved in the oxygen diffusion through Co nanocrystals. We describe the influence crystalline structure of nanoparticles such as amorphous, hcp, fcc and epsilon phase of Co nanocrystals. It will be demonstrated that the TEM electron beam plays a role of the final product when Co nanocrystals are submitted to the oxygen. In the third part, we focus on the fabrication of Co nanoparticle-based binary nanoparticle superlattices. It is shown that binary superlattices of Co/Ag nanocrystals with same size, surface coating, differing by their crystallinities can be governed by Co-Co magnetic interactions. Furthermore, binary nanoparticle superlattices, which can be considered as the insertion of small nanoparticles into the nanoparticle superlattices revealed an unusual magnetic properties. Two kinds of binary nanoparticle superlattices, namely AlB2-type CoAg2 and MgZn2-type CoCo2, are produced, and their magnetic properties are studied, revealing the mesoscale doping effect on the magnetic properties of Co nanoparticle supracrystals. In the last part of this thesis is mainly focused on how to improve the nanocrystallinity of Co nanocrystals in solution and the magnetic investigation of Co nanocrystals with various crystallinities.

Le tissu adipeux (TA) est connu pour sa plasticité puisqu'il est capable de s'hypertrophier ou de s'atrophier, en fonction de la situation métabolique de l'individu. Cette plasticité est liée au fait que le TA joue un double rôle dans le maintien de la balance énergétique : il est à la fois i) réserve d'énergie mobilisable (adipocytes blancs) mais également ii) consommateur d'énergie via la thermogénèse (adipocytes bruns, adipocytes beiges). En raison de l'évolution croissante des maladies métaboliques dites de surcharge dans lesquelles ce TA va s'hypertrophier, la majorité des études abordent cette notion de plasticité à l'échelle cellulaire, et se focalise ainsi sur les adipocytes (prolifération, différenciation, activité) et les autres populations cellulaires résidant dans le TA, capables d'interagir avec eux. En revanche, il y a très peu d'études sur cette plasticité à l'échelle tissulaire. Au cours de ma thèse, je me suis intéressée i) à l'organisation tissulaire d'un dépôt de TA blanc (dépôt sous-cutané inguinal) et ii) les conséquences d'une ablation massive du TA blanc. L'ensemble de ce travail a été réalisé chez la souris.A l'aide de l'imagerie 3D sur tissu entier, nous montrons que ce dépôt est hétérogène : il est composé d'une partie dans laquelle il est possible de segmenter des entités fonctionnelles (lobules ?), située au cœur du dépôt, et d'une partie non segmentable, située à la périphérie du dépôt. Cette hétérogénéité structurale est associée à une hétérogénéité fonctionnelle : les deux régions se distinguent en termes de morphologie adipocytaire et de pattern d'expression génique. De plus, seule la partie segmentable répond à la mise au froid des animaux par une up-régulation du niveau d'expression d'Ucp1 et d'autres gènes marqueurs du " brunissement ". Parallèlement à cela, nous montrons que selon la souche de souris (C57bl6 et MRL), la réponse du TA inguinal à une ablation partielle n'est pas la même : chez la souris MRL (rare mammifère capable de régénération), ce dépôt adipeux est capable de régénérer, ce qui n'est pas le cas chez la souris C57Bl/6. La régénération est inhibée chez la souris MRL par un traitement avec un agoniste des récepteurs aux opioïdes (tramadol) alors qu'elle peut être induite chez la souris C57Bl/6 par un antagoniste de ces récepteurs (naloxone). Cette régénération est dépendante d'une forte et intense production d'espèces actives de l'oxygène par les granulocytes. L'utilisation de souris invalidées pour le récepteur mu démontre l'implication de cette sous-famille de récepteurs. Enfin, cet effet des opioïdes est majoritairement le fait des cellules immunitaires, et plus particulièrement les granulocytes. Ces données mettent en exergue une nouvelle vision du TA blanc sous - cutané, qui ne doit pas être considéré comme un tissu inerte mais bel et bien comme un tissu hétérogène complexe (structurellement et fonctionnellement) pouvant être capable de régénération. / Adipose tissue (AT) is very plastic tissue. During metabolic disease, it would be overdeveloped or atrophy. It is due to the fact that AT is i) energy storage thanks to white adipocyte and ii) energy consumer thanks to brown or brite adipocyte. The cellular composition is very well studied (adipocytes activity, proliferation, differenciation, link between AT stromal cells / adipocytes) but the tissue organization of AT is not known. During my thesis work, we study the i) tissular organization of white AT and ii) AT response after massive removal of white AT. Mice are used for this work. In the first step, our 3 dimensional imaging of white AT shows that AT is heterogeneous tissue: AT has 2 components: segmentable area, in the AT core and non-segmentable area, in the AT periphery. This structural heterogeneity is correlated with functional heterogeneity because segementable area differs to non-segmentable area from adipocyte shape and pattern genic expression. Furthermore, only segmentable area can be respond to cold exposure by Ucp1 up-regulation and browning genes markers. In the second step, massive ablation of subcutaneous white AT is performed on two mice strains: C57Bl/6 and MRL (known to be able to regenerate). MRL mice inguinal AT regenerate, unlike inguinal AT of C57Bl/6 mice. The use of antagonist of opioid receptor (naloxone) treatment leads regeneration AT in C57Bl/6. In opposite, opioid receptor agonist (tramadol) treatment in MRL mice inhibits AT regeneration. AT regeneration is dependant of burst oxydatif production by granulocytes. The use of the receptor knock down mice highlights that is the only receptor is involved in AT regeneration. More precisely, opioids effects are mediated by receptor on granulocyte immune cells.

La caractérisation de la réponse au sel d'un mutant d'A.thaliana déficient dans la synthèse de la proline (p5cs1-4) a montré que la salinité affecte de la même manière les relations hydriques et l'homéostasie ionique chez les deux génotypes. La pulvérisation foliaire de proline sous contrainte saline améliore la capacité antioxydante chez le mutant p5cs1-4 et rétablit sa croissance ainsi que son activité photosynthétique. L'analyse des relations entre la production précoce de H2O2 par la NADPH oxydase et la défense antioxydante chez A. thaliana soumise à la salinité a montré que l'exposition des plantes sauvages à 200 mM NaCl pendant 24 h conduit à une accumulation transitoire de H2O2, suivie d'une augmentation des activités des enzymes Catalases, Ascorbate peroxydases et Glutathione reductases. En présence de sel, le prétraitement des plantes par le DMTU, un chélateur de H2O2, ou le DPI et l'imidazole, deux inhibiteurs des NADPH oxydases, conduit à de faibles activités des enzymes antioxydantes. Le double mutant affiche également des activités faibles de ses enzymes antioxydantes. La meilleure performance des plantes sauvages par rapport aux mutants se traduisant par une meilleure aptitude de protéger ces tissus contre le stress oxydatif. En outre, l'accumulation de la proline est précédée par des niveaux élevés de H2O2 et l'utilisation de DMTU supprime l'accumulation de la proline chez les plantes soumises aux contraintes osmotiques. Les résultats ont montré également que de DPI, ainsi que des mutants knock-out conduisent à une inhibition de l'activité de l'enzyme-clé de la synthèse de la proline. / Characterization of salt stress response in A. thaliana p5cs1-4 mutant defective in proline biosynthesis showed that no significant difference was observed in the leaf water status and Na+/K+ ratio between salt-treated WT and p5cs1-4 seedlings, suggesting that the salt hypersensitivity of the mutant was not due to the disruption of water uptake or Na+/K+ homeostasis. Foliar application of proline under salt stress increased the antioxidant activity in the p5cs1-4 mutant and restored its photosynthetic activity. The analysis of the relationship between the early production of H2O2 by the NADPH oxidase and the antioxidant defense in A. thaliana subjected to salinity showed that short-term salt exposure led to a transient and significant increase of H2O2 concentration, followed by a marked increase in Catalase, Ascorbate peroxidase and Glutathion reductase activities, pre-treatment with either dimethylthiourea, a chemical trap for H2O2, or two NADPH oxidase inhibitors such as imidazol and diphenylene iodonium, significantly decreased the above-mentioned enzyme activities under salinity. atrbohd/f double mutant plants failed to induce the antioxidant response under the culture conditions. The better performance of the WT was related to the plant ability to deal with the salt-induced oxidative stress as compared to atrbohd/f. In addition NaCl or mannitol stress resulted in a transient increase in H2O2 content followed by an accumulation of proline upon stress. In contrast DMTU and DPI were found to significantly inhibit proline accumulation. Expression level of the key enzyme involved in the biosynthesis of proline was observed to be diminished by DPI and in atrboh mutants.

Les dommages provoqués par l'exposition au cadmium proviennent de l'inactivation de diverses bio-molécules par le métal et de l'interférence du toxique avec les homéostasies redox et de métaux essentiels comme le zinc. Une lignée cellulaire dérivée de la lignée épithéliale humaine HeLa résistante au zinc (HZR) est également résistante au cadmium sur une période de 24 heures. Les mécanismes de toxicité et de résistance ont été étudiés. La localisation du cadmium intracellulaire est semblable entre les deux lignées. Toutefois, des sollicitations accrues du réticulum endoplasmique ainsi que du protéasome dans les cellules HZR affectent la prise en charge du cadmium dans ces cellules. Une adaptation catabolique concernant la tyrosine, peut-être en rapport avec la production de mélanine, a aussi été notée en analysant des gels d'électrophorèse bi-dimensionnels de haute résolution. La résistance des cellules HZR vis-à-vis du cadmium s'explique principalement par la limitation de la concentration de cadmium intracellulaire lors d'expositions massives; au contraire du zinc qui s'accumule. Cela ne se produit pas par augmentation de l'efflux de toxique, mais par inhibition de l'influx: il semble cependant que la voie d'entrée de cadmium éteinte chez les cellules HZR soit inédite puisqu'elle ne correspond pas à des systèmes moléculaires de transport de cadmium préalablement caractérisés. Pour son identification, une analyse globale du transcriptome des cellules HZR, dans des conditions variables quant à la concentration appliquée des métaux zinc et cadmium, a indiqué que le phénotype de ces cellules est sans doute défini par modification de voies de signalisation multiples. Mais la variété des cibles de ces voies n'a pas permis d'identifier précisément les molécules participant directement à la prise en charge des métaux zinc et cadmium. Ce travail a cependant conduit à une hiérarchisation de la réponse des cellules de mammifères à l'exposition au cadmium parmi les nombreux effets décrits dans la littérature. L'intoxication au cadmium peut engendrer une anémie par perturbation de l'homéostasie du fer. Au niveau cellulaire, celle-ci est principalement assurée au niveau traductionnel par le système IRP (Iron Regulatory Proteins) / IRE (Iron Responsive Element). Les effets du cadmium sur ce système ont été étudiés dans les principaux organes de souris intoxiquées, et, pour comparaison, dans les lignées cellulaires étudiées par ailleurs dans ce travail. Bien que le cadmium s'accumule dans les reins, le foie, les intestins et dans une moindre mesure la rate, aucun signe d'anémie n'a été observé et l'activité tissulaire des IRP est restée insensible au toxique dans les conditions appliquées. Par contre, l'impact du cadmium sur le système IRP/IRE diffère entre la lignée HeLa et la lignée HZR. Si, dans les cellules HeLa, le cadmium n'active pas IRP1 mais diminue sa stabilité, dans les cellules HZR, la protéine IRP1 est initialement très active mais elle est peu sensible au cadmium. Ces résultats illustrent la versatilité des réponses à un stress cadmium suivant des conditions cellulaires très précises, en accord avec la prépondérance et la diversité des voies de signalisation sensibles au stress extracellulaire révélées pour les cellules HZR.