L’étude des effets des radionucléides et des métaux sur les organismes vivants est nécessaire pour évaluer leur toxicité et leur risque écologique. Notre approche a visé dans un premier temps à étudier les impacts du cadmium (Cd) et de l’Uranium (U) sur différents niveaux biologiques de l’écrevisse Procambarus clarkii après exposition aigue et chronique. Nous avons évalué leurs impacts sur les mitochondries, les réponses face à un stress oxydant, les structures histologiques et la survie. Nous avons tenté de lier ces effets entre eux et à la bioaccumulation dans les branchies et l’hépatopancréas. Nous avons aussi essayé de différencier la chimio- et la radiotoxicité de l’U en exposant des écrevisses soit à l’U appauvri soit au 233U (présentant une activité spécifique plus élevée) au travers des mêmes critères d’effets. Nous avons démontré que le gène mt codant pour la métallothionéine était toujours surexprimé en présence du Cd. De ce fait, il semble être un bon biomarqueur de toxicité du Cd chez P. clarkii. Nous avons mis en évidence que les deux métaux affectent les mitochondries grâce au suivi des niveaux d’expressions des gènes mitochondriaux (12s, atp6 et cox1), et que leur mécanismes d’action ne semblent pas être toujours les mêmes. Nous avons aussi prouvé que l’U génère plus de stress oxydant que le Cd grâce à la comparaison des niveaux d’expressions de gènes qui codent pour des antioxidants (sod(Mn) et mt) et des réponses enzymatiques de la superoxyde dismutase, la catalase, la glutathion peroxydase et la glutathion S transférase. Toutefois, les symptômes des atteintes histo-pathologiques semblent être les mêmes pour les deux métaux. En comparant leurs effets sur la survie des écrevisses, nous avons conclu que le Cd était plus toxique que le radioélément. D’autre part, nous avons démontré que les effets toxiques de l’U aux concentrations rencontrées dans l’environnement, sont plus liés à la chimiotoxicité qu’à la radiotoxicité de cet élément. Nous avons démontré que, les réponses moléculaires varient en fonction de l’intensité et la durée du stress chimique imposé aux organismes. Nous avons proposé d’utiliser les expressions de l’ensemble des gènes étudiés en tant que biomarqueurs de toxicité de l’U plutôt que les activités enzymatiques à cause de leur sensibilité. Ce travail de thèse propose des mécanismes d’actions de l’U basé surtout sur les réponses moléculaires et confirme la nécessité d’approfondir l’étude du profil écotoxicologique de ce radioélément. / The study of the effects of radionuclides and metals on organisms is necessary for the evaluation of their toxicity and their ecological threats. We first aimed to study the impacts of cadmium (Cd) and Uranium (U) on different biological levels of the crayfish Procambarus clarkii after acute and chronic exposures. We evaluated their impacts on mitochondria, oxidative stress responses, on histological structures, and the survival rates. We tried to connect these effects between them and to the bioaccumulation in the gills and the hepatopancreas. We also tried to discriminate the chemo and the radiotoxicity of U by exposing crayfish to either depleted or enriched U (233U: presenting a higher specific activity) using the same criteria of effects. We demonstrated that the gene mt encoding for the metallothionein was always over-expressed in the presence of Cd. Therefore, it seems to be a good biomarker of Cd toxicity in P. clarkii. The follow up of mitochondrial genes expressions (12s, atp6 and cox1), showed that both metals affect mitochondria and that their mechanisms of action do not seem to be always the same. We also observed that U generates more oxidative stress than Cd when comparing the expression levels of genes encoding for antioxidants (sod (Mn) and mt) and the enzymatic activities of superoxide dismutase, the catalase, the glutathione peroxidase and the glutathione S transferase. However, the symptoms of histo-pathological damages after Cd and U contamination were similar in both conditions. After comparing the survival rates of the crayfish, we concluded that Cd was more toxic than the radioelement. Moreover, we demonstrated that the toxic effect of U on P. clarkii exposed to a low environmental concentration is mainly due to its chemotoxicity rather than to its radiotoxicity. We established that, the molecular answers vary according to the intensity and the duration of the chemical stress applied to the organisms. We suggested the use of the expressions of all the studied genes as biomarkers of toxicity of U rather than the enzymatic activities because of their sensitivity. This work proposes mechanisms of actions of U based especially on the molecular responses and confirms the necessity of studying the ecotoxicological profile of this radioelement.

L'accentuation des phénomènes de résistance aux antibiotiques augmente la difficulté d'enrayer les infections bactériennes. Afin de palier ce problème, la mise au point de nouvelles stratégies, telle la stratégie antivirulence, est essentielle. Ainsi, ce manuscrit propose une nouvelle approche thérapeutique contre les bactéries à développement intracellulaire. Les analyses génomiques ont permis de mettre en évidence l'histidinol déshydrogénase (HDH, EC 1.1.1.23), enzyme impliquée dans la biosynthèse de l'histidine, comme cible biologique pour la conception de nouveaux agents antibactériens. L'étude de l'inhibition de cette dernière permet une validation de l'approche sur Brucella suis, agent responsable de la brucellose, et un élargissement du spectre d'action des composés mis au point est envisagé par l'inhibition de HDH de Mycobacterium tuberculosis. Les travaux préliminaires nécessaires a cet élargissement sont présentés dans ce manuscrit. / The raise of antibiotic resistances increases the difficulty to eradicate bacterial infections. The development of new therapeutic approaches, such as the antivirulence strategy, is essential to limitate the impact of this phenomenon. This manuscript details a new therapeutic approach against intracellular pathogens. Genomic analyses allowed to discover new targets. The histidinol dehydrogenase (HDH, EC 1.1.1.23), which is an enzyme involved in histidine biosynthesis, has therefore be chosen for the conception of new antibacterial compounds. Inhibition studies of HDH of Brucella suis allows a validation of the strategy. In order to confirm the width of the therapeutic spectrum of synthesised compounds, the inhibition of HDH from Mycobacterium tuberculosis is envisaged and preliminary experiments are presented.

Plusieurs modèles pharmacocinétiques-pharmacodynamiques moléculaires ont été proposés au cours des dernières décennies afin de représenter et de prédire les effets d'un médicament dans les chimiothérapies anticancéreuses. La plupart de ces modèles ont été développés au niveau de la population de cellules, puisque des effets mesurables peuvent y être observés beaucoup plus facilement que dans les cellules individuelles.Cependant, les véritables cibles moléculaires des médicaments se trouvent au niveau de la cellule isolée. Les médicaments utilisés soit perturbent l'intégrité du génome en provoquant des ruptures de brins de l'ADN et par conséquent initialisent la mort cellulaire programmée (apoptose), soit bloquent la prolifération cellulaire, par inhibition des protéines (cdks) qui permettent aux cellules de procéder d'une phase du cycle cellulaire à la suivante en passant par des points de contrôle (principalement en $G_1/S$ et $G_2/M$). Les dommages à l'ADN causés par les médicaments cytotoxiques ou la $\gamma$-irradiation activent, entre autres, les voies de signalisation contrôlées par la protéine p53 qui forcent directement ou indirectement la cellule à choisir entre la survie et la mort.Cette thèse vise à explorer en détail les voies intracellulaires impliquant la protéine p53, ``le gardien du génome", qui sont initiées par des lésions de l'ADN, et donc de fournir un rationnel aux cancérologues pour prédire et optimiser les effets des médicaments anticancéreux en clinique. Elle décrit l'activation et la régulation de la protéine p53 dans les cellules individuelles après leur exposition à des agents causant des dommages à l'ADN. On montre que les comportements dynamiques qui ont été observés dans les cellules individuelles peuvent être reconstruits et prédits par fragmentation des événements cellulaires survenant après lésion de l'ADN, soit dans le noyau, soit dans le cytoplasme. Ceci est mis en œuvre par la description du réseau des protéines à l'aide d'équations différentielles ordinaires (EDO) et partielles (EDP) impliquant plusieurs agents dont les protéines ATM, p53, Mdm2 et Wip1, dans le noyau aussi bien que dans le cytoplasme, et entre les deux compartiments. Un rôle positif de Mdm2 dans la synthèse de p53, qui a été récemment observé, est exploré et un nouveau mécanisme provoquant les oscillations de p53 est proposé. On pourra noter en particulier que le nouveau modèle rend compte d'observations expérimentales qui n'ont pas pu être entièrement expliquées par les modèles précédents, par exemple, l'excitabilité de p53.En utilisant des méthodes mathématiques, on observe de près la façon dont un stimulus (par exemple, une $\gamma$-irradiation ou des médicaments utilisés en chimiothérapie) est converti en un comportement dynamique spécifiques (spatio-temporel) de p53, en particulier que ces dynamiques spécifiques de p53, comme messager de l'information cellulaire, peuvent moduler le cycle de division cellulaire, par exemple provoquant l'arrêt du cycle ou l'apoptose. Des modèles mathématiques EDO et EDP de réaction-diffusion sont utilisés pour examiner comment le comportement (spatio-temporel) de p53 émerge, et nous discutons des conséquences de ce comportement sur les réseaux moléculaires, avec des applications possibles dans le traitement du cancer.Les interactions protéine-protéine sont considérées comme des réactions enzymatiques. On présente quelques résultats mathématiques pour les réactions enzymatiques, en particulier on étudie le comportement en temps grand du système de réaction-diffusion pour la réaction enzymatique réversible à l'aide d'une approche entropique. À notre connaissance, c'est la première fois qu'une telle étude est publiée sur ce sujet. / Various molecular pharmacokinetic–pharmacodynamic models have been proposed in the last decades to represent and predict drug effects in anticancer therapies. Most of these models are cell population based models since clearly measurable effects of drugs can be seen on populations of (healthy and tumour) cells much more easily than in individual cells.The actual targets of drugs are, however, cells themselves. The drugs in use either disrupt genome integrity by causing DNA strand breaks and consequently initiate programmed cell death or block cell proliferation mainly by inhibiting proteins (cdks) that enable cells to proceed from one cell cycle phase to another. DNA damage caused by cytotoxic drugs or $\gamma$-irradiation activates, among others, the p53 protein-modulated signalling pathways that directly or indirectly force the cell to make a decision between survival and death.The thesis aims to explore closely intracellular pathways involving p53, ``the guardian of the genome", initiated by DNA damage and thus to provide oncologists with a rationale to predict and optimise the effects of anticancer drugs in the clinic. It describes p53 activation and regulation in single cells following their exposure to DNA damaging agents. We show that dynamical patterns that have been observed in individual cells can be reconstructed and predicted by compartmentalisation of cellular events occurring either in the nucleus or in the cytoplasm, and by describing protein interactions, using both ordinary and partial differential equations, among several key antagonists including ATM, p53, Mdm2 and Wip1, in each compartment and in between them. Recently observed positive role of Mdm2 in the synthesis of p53 is explored and a novel mechanism triggering oscillations is proposed. For example, new model can explain experimental observations that previous (not only our) models could not, e.g., excitability of p53.Using mathematical methods we look closely on how a stimulus (e.g., $\gamma$-radiation or drugs used in chemotherapy) is converted to a specific (spatio-temporal) pattern of p53 whereas such specific p53 dynamics as a transmitter of cellular information can modulate cellular outcomes, e.g., cell cycle arrest or apoptosis. Mathematical ODE and reaction-diffusion PDE models are thus used to see how the (spatio-temporal) behaviour of p53 is shaped and what possible applications in cancer treatment this behaviour might have. Protein-protein interactions are considered as enzyme reactions. We present some mathematical results for enzyme reactions, among them the large-time behaviour of the reaction-diffusion system for the reversible enzyme reaction treated by an entropy approach. To our best knowledge this is published for the first time.

La conversion du dioxyde de carbone en molécules d'intérêts est un enjeu majeur de notre société moderne. Actuellement, ces réactions sont très coûteuses en énergie, impliquent de hautes pressions et températures et sont faiblement sélectives. Une alternative séduisante serait l’utilisation d’enzymes redox, i.e. des déshydrogénases, qui fonctionnent à pH neutre, température et pression ambiantes et sont très sélectives. Le frein à leur utilisation est leur stabilité et le fait qu’elles nécessitent la présence du cofacteur nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+ / NADH), couteux et délicat à régénérer. L’immobilisation de déshydrogénases sur des supports poreux monolithiques est proposée dans ce travail de thèse dans l’objectif de développer des réacteurs en flux continu.Dans un premier temps, des monolithes siliciques à porosité hiérarchique macro- et mésoporeux ont été préparés. Des macropores plus larges allant jusqu’à 35-50 microns ont été obtenus. Dans un second temps, des synthèses de monolithes de carbone à porosité hiérarchique en une étape ou en plusieurs étapes par dépôt de carbone sur des monolithes siliciques (greffage de saccharose, suivi de polymérisation et carbonisation) ont été développées. Ce travail a permis un contrôle fin de la macro-, méso et microporosité. Des monolithes de carbone avec une surface spécifique supérieure à 1200 m2.g-1 ont notamment pu être obtenus. Ces matériaux présentent non seulement une macroporosité large (35-50 µm), mais également une mésoporosité bimodale. Au-delà d’une porosité multi-échelle, ces matériaux carbonés présentent l’avantage d’être conducteurs du courant électrique. Ils peuvent ainsi être utilisés comme support pour l’électrocatalyse enzymatique. Ces monolithes de carbones ont été utilisés pour l’immobilisation de formiates déshydrogénases connus pour pouvoir réduire le CO2 en présence du cofacteur NADH. La régénération du cofacteur est étudiée soit par voie électrochimique soit par voie biocatalytique à l'aide d'une deuxième enzyme la phosphite déshydrogénase. Des études de fonctionnalisation des monolithes carbonés pour la co-immobilisation des enzymes et du cofacteur ont également été initiées. / Carbon dioxide (CO2) is a greenhouse gas that results, in part, from human activities and causes global warming and climate change. According to the International Energy Agency, global CO2 emissions from fossil-fuel combustion reached a record high of 31.3 gigatonnes in 2011. The concept of the methanol economy, advocated by Nobel laureate Prof. George A. Olah back in the 1990s, hinges on the chemical recycling of CO2 to methanol and derived, suggesting methanol as a key substitute fuel and starting material for valuable chemicals. The recycling conversion of CO2 could be a rational way to develop an anthropogenic short-term carbon cycle. With this aim, The design of functional porous architectures depicting hierarchical and interconnected pore networks has emerged as a challenging field of research. Particularly, porous monoliths offer many advantages and can be employed as flow-through reactors for separation, catalysis and biocatalysis. This study focuses on the design of monoliths with hierarchical porosity and high surface area. Firstly, silica monoliths with both homogeneous macro- and mesopores were prepared using sol-gel chemistry and spinodal decomposition using PEO polymers. Macropore (up to 30 microns) and mesopore (up to 20 nm) diameters of the monoliths were controlled by modifying various experimental parameters (PEO molecular weight, addition of surfactants, different basic post-treatments, different temperatures, etc.). Secondly, carbonaceous replica have been prepared through hydrothermal carbonization of sucrose, subsequent pyrolysis and silica etching. These materials present large interconnected flow-trough macropores, a bimodal mesoporosity, a high surface area (up to 1400 m2 g-1) and high meso- and macropore volumes.Different enzymes were immobilized onto the monoliths amongst which formate dehydrogenases. Flow-through reactors were engineered and continuous flow biocatalysis was performed. In such systems, straightforward processes for the in situ regeneration of the enzyme cofactor, i.e. 1,4-NADH wrer developped. Flow-through reactors and their use for the enzymatic reduction of carbon dioxide into formate were designed.

Mitochondria are cell organelles which play an essential role in the cell energy supply providing the universal high energetic molecule ATP which is used in numerous energy consuming processes. The core of the ATP production, oxidative phosphorylation (OXPHOS) consists of four enzyme complexes (respiratory chain) which establish, driven by redox reactions, a proton gradient over the inner mitochondrial membrane. The ATP-synthase uses this electrochemical gradient to phosphorylate ADP to ATP. Dysfunctioning of an OXPHOS complex can have severe consequences for the energy metabolism and cause rare but incurable dysfunctions in particular tissues with a high energy demand such as brain, heart, kidney and skeleton muscle. Moreover mitochondria are linked to widespread diseases like diabetes, cancer, Alzheimer and Parkinson. Further, reactive oxygen species which are a by-product of the respiratory chain, are supposed to play a crucial role in aging. The aim of this work is to provide a realistic model of OXPHOS which shall help understanding and predicting the interactions within the OXPHOS and how a local defect (enzyme deficiency or modification) is expressed globally in mitochondrial oxygen consumption and ATP synthesis. Therefore we chose a bottom-up approach. In a first step different types of rate equations were analyzed regarding their ability to describe the steady state kinetics of the isolated respiratory chain complexes in the absence of the proton gradient. Here Michaelis-Menten like rate equations were revealed to be appropriate for describing their behavior over a wide range of substrate and product concentrations. For the validation of the equations and the parameter estimation we have performed kinetic measurements on bovine heart submitochondrial particles. The next step consisted in the incorporation of the proton gradient into the rate equations, distributing its influence among the kinetic parameters such that reasonable rates were obtained in the range of physiological electrochemical potential differences. In the third step, these new individual kinetic rate expressions for the OXPHOS complexes were integrated in a global model of oxidative phosphorylation. The new model could fit interrelated data of oxygen consumption, the transmembrane potential and the redox state of electron carriers. Furthermore, flux inhibitor titration curves can be well reproduced, which validates its global responses to local effects. This model may be of great help to understand the increasingly recognized role of mitochondria in many cell processes and diseases as illustrated by some simulations proposed in this work. / Les mitochondries sont l’usine à énergie de la cellule. Elles synthétisent l’ATP à partir d’une succession de réactions d’oxydo-réduction catalysées par quatre complexes respiratoires qui forment la chaîne respiratoire. Avec la machinerie de synthèse d’ATP l’ensemble constitue les oxydations phosphorylantes (OXPHOS). Le but de ce travail est de bâtir un modèle des OXPHOS basé sur des équations de vitesse simples mais thermodynamiquement correctes, représentant l’activité des complexes de la chaîne respiratoire (équations de type Michaelis- Menten). Les paramètres cinétiques de ces équations sont identifiés en utilisant les cinétiques expérimentales de ces complexes respiratoires réalisées en absence de gradient de proton. La phase la plus délicate de ce travail a résidé dans l’introduction du gradient de protons dans ces équations. Nous avons trouvé que la meilleure manière était de distribuer l’effet du gradient de proton sous forme d’une loi exponentielle sur l’ensemble des paramètres, Vmax et Km pour les substrats et les produits. De cette manière, j’ai montré qu’il était possible de représenter les variations d’oxygène, de ΔΨ et de ΔpH trouvés dans la littérature. De plus, contrairement aux autres modèles, il fut possible de simuler les courbes de seuil observées expérimentalement lors de la titration du flux de respiration par l’inhibiteur d’un complexe respiratoire donné.Ce modèle pourra présenter un très grand intérêt pour comprendre le rôle de mieux en mieux reconnu des mitochondries dans de nombreux processus cellulaires, tels que la production d’espèces réactives de l’oxygène, le vieillissement, le diabète, le cancer, les pathologies mitochondriales etc. comme l’illustrent un certain nombre de prédictions présentées dans ce travail.

Les vinylphosphonates fonctionnalisés représentent une classe importante de briques moléculaires utilisées en synthèse organique et suscitent un grand intérêt au niveau biologique. Ainsi, nous avons étudié différentes voies de synthèse pour accéder à ces composés. Il en ressort une méthode généralisable, faisant intervenir une réaction de substitution organocatalysée, à partir d’un substrat phosphoré original, et permettant d’obtenir de nombreux vinylphosphonates non décrits jusqu’ici. Par la suite, la synthèse de vinylphosphonates azahétérocycliques a été abordée en employant la réaction de métathèse cyclisante à partir de substrats adéquats, eux-mêmes obtenus par le biais de la méthodologie décrite précédemment.Nous avons enfin mis au point la première synthèse totale énantioselective de la molécule UPF 702 (vinylphosphonate cyclique comportant un motif acide aminé), connue pour ses propriétés biologiques notamment comme agoniste de récepteurs du glutamate et présentant ainsi un potentiel thérapeutique contre les maladies du système nerveux central. Deux voies de synthèses ont été imaginées, basées sur des réactions organocatalysées et de métathèse cyclisante. L’introduction de la chiralité a été réalisée via des réactions de désymétrisation ou de dédoublement enzymatiques et l’accès à l’amine par un réarrangement de Curtius. / Functionalized vinylphosphonates constitute an important class of building blocks used in organic synthesis and aroused great interest due to their various biological activities. Thus, we developed several synthetic methodologies to reach these compounds. The most general method entails an organocatalyzed substitution reaction using an original substrate, and allows the synthesis of numerous hitherto unknown vinylphosphonates.Then, the synthesis of azaheterocyclic vinylphosphonates was investigated using the ring closing metathesis from appropriate substrates which are obtained through the above methodology.Finally, we have set up the first enantioselective synthesis of UPF 702 (a cyclic vinylphosphonate including the amino acid moiety), known to exhibit agonist activity towards glutamate receptors, and thus potentially active against central nervous system diseases. Two synthetic approaches were devised, based on the organocatalyzed substitution followed by ring closing metathesis. The enantioselectivity was brought by enzymatic resolution or desymmetrisation, whereas the amino acid was prepared via a Curtius rearrangement.

Ce travail de thèse parti de l'observation que la maintenance des fonctions cellulaires est basée sur l'orchestration précise d'interactions fonctionnelles entre biomolécules telles que l'ADN, l'ARN et les protéines. Bien que ces processus basiques ne montrent pas généralement une organisation spatiale stricte, ils semblent néanmoins contraints par des schémas dynamiques ou spatiaux précis. Cela pose ainsi la question des forces pouvant, dans un microenvironnement cellulaire, diriger les différents acteurs de processus biochimiques complexes au bon endroit, au bon moment et dans le bon ordre afin d'assurer les fonctions cellulaires essentielles. L'existence de forces sélectives à longue portée de nature électromagnétique, pouvant être responsables de l'extraordinaire efficacité des machineries biomoléculaires, est prédite par la mécanique quantique et l'électrodynamique; par longue portée, nous entendons entre 0.1 à 1 micron, ce qui est bien au delà de celle des forces traditionnelles reconnues comme les forces électrostatiques, de van der Waals-London ou les liaisons hydrogènes. Aucune procédure expérimentale ne fut proposée à ce jour pour confirmer ou infirmer cette hypothèse d'une utilisation efficace de telles forces électromagnétiques dans la matière vivante. Si ces forces sélectives de recrutement à longue portée sont effectivement actives au niveau biomoléculaire, cela constituerait un pas important vers une compréhension des processus et mécanismes cellulaires fondamentaux (expression génique, division cellulaire, signalisation, etc.). / The main subject of the present thesis work stems from the observation that the maintenance of cell functions is based on a precise orchestration of functional interactions between biomolecules such as DNA, RNA and proteins. Although these basic processes generally do not exhibit strict spatial organization, they seem constrained into a very accurate temporal - or dynamic - pattern. This raises the question of what types of physical forces can, in the cellular microenvironments, bring the various actors of complex biochemical processes both in the right place, at the right time and in the right order so as to ensure the essential cellular functions. The existence of selective, long-range forces of electromagnetic nature that may be responsible for the extraordinary efficiency of the biomolecular machineries is predicted by quantum mechanics and electrodynamics ; long-range meaning here of the order of 0.1-1 micron, well beyond the traditionally recognized forces, electrostatic ones, hydrogen bonds, van der Waals-London, etc.). Yet, to date, no experimental test has been proposed to disprove or confirm the hypothesis of an effective exploitation of such electromagnetic forces in living matter. If these selective, long-range recruitment forces were found to be active at the biomolecular level, this would represent an important step forward to the understanding of fundamental cellular processes and mechanisms (gene expression, cell division, signalling, etc.).

Les terrils du bassin minier de Provence sont implantés dans le paysage et demeurent à proximité des habitations de la métropole Aix-Marseille. Les terrils les plus anciens ont été naturellement colonisés par la végétation et des sols s’y sont développés avec une vitesse remarquable. Cette étude vise à comprendre les processus pédogénétiques en cours depuis 55 ans sur les terrils miniers. Nous avons étudié l’impact du lignite sur les caractéristiques physico-chimiques et microbiologiques d’un Rendosol naturel. Deux sols similaires, dont l’un est traversé par l’affleurement naturel d’une veine de lignite et l’autre pas, ont donc été comparés afin de caractériser les variables impactées par le lignite. L’étude du terril Armand a permis de comprendre les facteurs responsables de la formation et de la variabilité des caractéristiques des sols observés sur le terril. L’abondance de composés carbonés récalcitrants dans les sols enrichis en lignite affecte les niveaux d’activité des microorganismes responsables des processus biologiques dans les sols sans induire d’effets néfastes. Le lignite semble intervenir comme un facteur de dilution du carbone organique, diminuant ainsi la quantité de carbone disponible et donc la vitalité d’expression des fonctions microbiennes. Les activités biologiques sont diminuées en présence de lignite, mais les changements induits sur les propriétés physico-chimiques semblent améliorer la fertilité du sol. Les sols du terril Armand demeurent cependant encore à un stade d’évolution trop jeune pour préjuger de leur évolution future. / Spoil heaps are scattered over the coal basin of Provence: they are inserted in the landscape and often located close to urban areas of the Aix-Marseille Metropole. The oldest spoil heaps have been naturally colonized by local vegetation and soils have simultaneously quickly developed. This study aims at understanding the processes involved in soil forming on undisturbed lignite-rich spoil heaps since 55 years. We studied the impact of lignite on the physico-chemical and microbiological characteristics of an undisturbed soil: we compared two similar Rendosols, except that one was developed in a natural lignite outcrop. Then we studied on the 55-year-old Armand spoil heap the factors responsible for soil genesis and variability of soil characteristics. Recalcitrant carbon compounds found in soils enriched with lignite modify microbial activity but do not induce negative effects. It seems that lignite acts as a diluting factor of the organic carbon that decreases the available carbon pool and consequently on the vitality of the expression of the microbial functions. Enzymatic activities and basal respiration decrease while changes observed on physico-chemical properties tend to improve soil fertility. Some characteristics of the soils developed on the spoil heap are similar to those of the soil developed from the lignite outcrop, while others are more related to the way the spoil heap was set up. Although these results have shed light on some of the processes involved in soil formation on spoil heaps in a carbonated environment, soils on Armand spoil heap are still at an early stage of development that precludes conclusion on their future evolution.

Les enzymes et leur diversité d’actions sont appréciées dans des domaines d’applications variés allant del’agroalimentaire à la thérapeutique. Ainsi, une attention toute particulière est portée à leur étude afin d’améliorer uneaction (contre le vieillissement de la peau, antivirale, anticancéreuse…) ou un procédé de synthèse. Ce projet derecherche s’inscrit dans une démarche de développement d’outils analytiques basés sur la spectrométrie de masse,permettant le suivi rapide et sensible d’interactions enzyme-ligand.Dans une première étude, l’approche TLC couplée à une détection par UV a été évaluée pour la déterminationde constantes enzymatiques de l’enzyme invertase. Cette approche couplée à un MALDI/TOF MS a permis d’identifierdes substrats spécifiques de l’invertase au sein d’extraits de plantes. Pour preuve de concept, l’interactioncellobiohydrolase II–ligand est présentée dans le cadre de l’identification d’inhibiteur par TLC-MALDI/TOF et TLCENALDIMS.En seconde étude, nos travaux ont porté sur la caractérisation directe de différentes enzymes kinases, puis auxsuivis des réactions de phosphorylation de nucléosides /tides endogènes. Ces études, basées sur des approches « offline» (Flow Injection Analysis, FIA) et « on-line » (Frontal Affinity Chromatography, FAC) couplées à unspectromètre de masse haute résolution, ont été réalisées au moyen de ces kinases libres et immobilisées. Dans le cadrede la recherche de nouveaux candidats médicamenteux antiviraux, le suivi d’une phosphorylation spécifique desmolécules de synthèse, au regard de souches humaine ou virale de kinase, a également été évalué par ces deuxméthodologies. / Enzymes are very appreciated and useful in various application fields from agri-business to therapeutic due to theirdiversity of actions. Therefore, their action mechanisms are widely studied in order to enhance an action (anti-aging ofskin, antiviral, antitumorous) or a synthesis process. This research project is part of the approach to propose analyticaltools based on mass spectrometry, allowing rapid and sensitive follow-up of enzyme-ligand interactions.In a first study, the Thin-Layer Chromatography (TLC) approach coupled with UV detection was evaluated forthe determination of invertase kinetic constants. This approach coupled with a MALDI / TOF-MS led to theidentification of invertase substrates in plant extracts. As a proof of concept, the cellobiohydrolase II - ligand interactionwas presented in the framework of the identification of inhibitor by TLC-MALDI / TOF and TLC-ENALDI MS.In the second study, our work aimed at developing a direct method for the determination of kinetic parametersof kinases and following-up the phosphorylation reactions of endogenous nucleosides / tides. These studies, based on“off-line” (Flow Injection Analysis, FIA) and “on-line” (Frontal Affinity Chromatography, FAC) approaches coupledwith a high-resolution mass spectrometer, were carried out using free and immobilized kinases. In the context of thesearch for new antiviral drug candidates, a specific phosphorylation of synthetic molecules regards to human or viralkinase was also evaluated by these both approaches.

La pression sur les quotas de pêche et l’augmentation de la production aquacole ont contribué à une substitution importante des farines et des huiles de poisson incorporées dans les aliments pour poissons carnivores, par des farines et des huiles végétales. La truite arc-en-ciel, qui est un poisson carnivore, est affectée par ce changement de régime. Ainsi un retard de croissance apparaît dès le plus jeune stade si certaines transformations et supplémentations ne sont pas apportées aux végétaux. L’objectif de ce travail a été d’évaluer, aux stades alevins et juvéniles, l’impact d’une substitution totale des huiles et farines de poisson sur le tractus digestif de la truite arc-en-ciel, et plus particulièrement sur ses capacités digestives et sur la composition de son microbiote intestinal. Le but in fine étant de déterminer si certaines enzymes de la digestion, transporteurs intestinaux, ou sous-communautés bactériennes sont impactés par le changement de régime et peuvent expliquer le retard de croissance observé. Chacun de ces facteurs ont été étudiés via une approche de métagénomique par séquençage de nouvelle génération NGS pour la caractérisation du microbiote, et via de la PCR quantitative et des mesures d’activités enzymatiques pour la comparaison des capacités digestives. Des lignées isogéniques de truites, identifiées comme divergentes dans leur réponse à l’alimentation végétale (capables d’adaptation ou réfractaires) ont permis de disposer d’un matériel biologique pertinent pour répondre à cette question. Une modification du microbiote intestinal associé à la muqueuse digestive pourrait également contribuer à la baisse de l’homéostasie intestinale. Le changement de régime conduit en effet à une équitabilité plus faible chez les truites ayant reçue un aliment végétal, ce qui reflète un changement dans la représentativité de certains OTUs. Ce changement de régime s’est également traduit par des communautés dissimilaires en moyenne à 70 %, d’après l’estimation de la β-diversité entre les communautés de truites nourries avec l’aliment marin et celles nourries avec l’aliment végétal. La sélection opérée par l’aliment a conduit à un remplacement des OTUs rencontrés au sein des Firmicutes, c’est-à-dire que différentes espèces bactériennes de Firmicutes sont rencontrées suivant le régime considéré. La comparaison de communautés bactériennes entre les différentes lignées isogéniques a montré que la sélection opérée par le génotype de l’hôte a davantage eu lieu sur le remplacement des β-Protéobactéries. Enfin, les comparaisons d’abondances en certaines espèces bactériennes particulières suggèrent que les bactéries Cetobacterium somerae, capables de synthétiser de la vitamine B12, et Shewanella, dont l’implication dans la stimulation des cellules β du pancréas endocrine a déjà été observée chez d’autres espèces, pourraient être impliquées dans la réponse métabolique des truites aux végétaux. Les modifications identifiées dans ce travail constituent des indicateurs biologiques qui pourront être mis à profit pour évaluer la réponse du tractus digestif des truites à de nouvelles formules alimentaires. / Over-fishing pressure and increasing aquaculture production led to an important substitution of fish oil and fish meal with oil and meal from plant origin in feed meant for farming fish. However this replacement has some deleterious incidence on fish. For rainbow trout, which are carnivorous fish, some growth delay often appears from the early life stages when they are fed with plant based diet. The aim of this work was to assess, at alevin and juvenile stages, the impact of a total replacement of fish meal and oil on rainbow trout gastrointestinal tract, and more particularly on the digestive capacity and the associate microbiota. The objective, in fine, being to determine if some digestive enzymes, intestinal transporters, or bacterial communities are impacted by the dietary replacement and if these biological factors can be related to the observed growth delay. Metagenomic approach using next generation sequencing was used to characterize the gut bacterial communities, while digestive capacity was assessed through quantitative PCR and enzymatic measurements in order to compare rainbow trout responses to a plant-based diet. In our investigations, rainbow trout isogenic lines that diverge in their response to this alternative diet (tolerant or rather reluctant) were adopted because they constitute a pertinent biological material for answering this question.In alevin rainbow trout, a plant-based diet led to an increase of pepsinogen, trypsinogen, and chymotrypsinogen genes which codes for proteolitic enzymes. Two main assumptions can explain this response, and their effectivness remains to investigate: wether this is a physiological response due to a lower weight of trout fed with the plant-based diet, or so it is due to an increase transcritpion of pancreatic enzymes to compensate for a reduction of protein digestibility. In the intestine, it appears that an increase transcription of IAP, SGLT1, CCK-t, and PEPT1 genes, and a decrease transcription of GLUT2 gene under a plant-based diet could reflect a disability to grow under a vegetable diet.In juvenile rainbow trout, a plant-based diet led to a decrease of lipid digestibility, and of triglycerides and total amino acid plasmatic levels. These perturbations could be explained in part by a decrease of the phosphatase alkaline activity, which suggest perturbancesof intestinal homeostasis, and by a decrease of phospholipase A2 activity. Transcriptional decrease of the triglycerides transporter MTP and of the prolidase, which is a peptidase from intestinal cell cytosol, has also been observed. Some modification of the microbiota associated to the intestinal mucosa could also contribute to the decrease of the intestinal homeostasis. The dietary replacement effectively led to reduce evenness of the bacterial communities in trout fed with a plant-based diet, which reflected a shift in the representativeness of some OTUs. Bacterial community from trout fed with a marine diet and trout fed with a plant-based diet were on average 70 % dissimilar. Dietary substitution led to the replacement of OTUs from the Firmicutes class, different bacterial species being observed according to the considered diet. The comparison of bacterial community between the isogenic lines showed that the genotype led to the replacement of β-Proteobacteria. Finally, abundance comparison suggested that Cetobacterium somerae, which is able to synthesise vitamin B12, and Shewanella, which has already been reported to stimulate pancreatic β cells, could be implicated in the trout response to vegetable.Modifications observed in this work constitute biological indicator that could be used to assess the response of the digestive tract to future feed formulations.