Bacteria evolve during the colonization of human hosts, yet little is known about the selective pressures and evolutionary forces that shape this evolution. Illumination of these processes may inspire new therapeutic directions for combating bacterial infections and promoting healthy bacteria-host interactions. The advent of high-throughput sequencing has enabled the identification of mutations that occur within the human host, and various tools from computational and evolutionary biology can aid in creating biological understanding from these mutations. Chapter 1 describes recent progress in understanding within-patient bacterial adaption, focusing on insights made from genomic studies.

The aim of this thesis is to investigate aspects of molecular evolution and enzyme engineering using the experimental evolution of Tobacco Etch Virus cysteine protease (TEV) as a model. I map key features of the local fitness landscape and characterise how they affect details of enzyme evolution. In order to investigate the evolution of core active site machinery, I mutated the nucleophile of TEV to serine. The differing chemical properties of oxygen and sulphur force the enzyme into a fitness valley with a >104-fold activity reduction. Nevertheless, directed evolution was able to recover function, resulting in an enzyme able to utilise either nucleophile. High-throughput screening and sequencing revealed how the array of possible beneficial mutations changes as the enzyme evolves. Potential adaptive mutations are abundant at each step along the evolutionary trajectory, enriched around the active site periphery. It is currently unclear how seemingly neutral mutations affect further adaptive evolution. I used high-throughput directed evolution to accumulate neutral variation in large, evolving enzyme populations and deep sequencing to reconstruct the complex evolutionary dynamics within the lineages. Specifically I was able to observe the emergence of robust enzymes with improved mutation tolerance whose descendants overtake later populations. Lastly, I investigate how evolvability towards new substrate specificities changed along these neutral lineages, dissecting the different determinants of immediate and long-term evolvability. Results demonstrate the utility of evolutionary understanding to protease engineering. Together, these experiments forward our understanding of the molecular details of both fundamental evolution and enzyme engineering.

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<p>Sex chromosomes have evolved independently multiple times in plants and animals. Sex chromosome evolution theory predicts the gradual degeneration of the sex-specific sex chromosome due to suppression of recombination, which lowers the efficacy of natural selection. Suppressed recombination also acts to resolve sexual conflict and ensure proper segregation of sex-specific alleles. However, sex chromosome degeneration is not always the case, and evolutionarily old, and young, but homomorphic (nondegenerate) sex chromosomes have been observed. African clawed frogs (<em>Xenopus</em> and <em>Silurana</em>) have homomorphic sex chromosomes due to a recent turnover event. However, occasional recombination between the sex chromosomes may contribute to the maintenance of homomorphic sex chromosomes in African clawed frogs. Mechanisms that prevent divergence of sex chromosomes may be related to polyploidization, which is frequently observed in African clawed frogs. The studies herein construct a phylogenetic framework to test alternative hypotheses for selection on sex-linked and autosomal genes involved in sex determination, map sex chromosomes and compare sex chromosomes across African clawed frogs. I have also explored the relationship between phenomena like recent turnover events, recombination and polyploidization to sex chromosome degeneration (or lack thereof). In this dissertation, I have discussed the potential for multiple mechanisms of sex determination and the unique pseudoautosomal nature of sex chromosomes within this group of frogs. This body of work provides a comprehensive study of sex chromosomes in a group lacking phylogenetic resolution and sheds light on the origin and evolution of sex chromosomes in other organisms.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Selon une vision populaire, l’évolution serait un processus de « progrès » qui s’accompagnerait d’un accroissement de la complexité moléculaire des êtres vivants. Cependant, les programmes de séquençage des génomes ont révélé l’existence d’espèces dont les lignées ont, au contraire, subi une réduction massive de leur génome. Ainsi, chez les cyanobactéries Prochlorococcus et Pelagibacter ubique, certaines lignées ont subi une réduction de 30% de leur génome. Une telle évolution « à rebours », dite évolution réductive, avait déjà été observée pour des bactéries endosymbiotiques, pour lesquelles la sélection naturelle n’est pas assez efficace pour éliminer les mutations délétères comme les pertes de gènes. Cela vient notamment du fait que ces bactéries endosymbiotiques subissent, à chaque reproduction de leur hôte, une réduction drastique de leur taille de population. Cette explication semble peu plausible pour des cyanobactéries marines comme Prochlorococcus et Pelagibacter, qui ont un mode de vie libre et qui font partie des bactéries les plus abondantes des océans. D’autres hypothèses ont ainsi été proposées pour expliquer l’évolution réductive comme l’adaptation à un environnement stable et pauvre en nutriments, des forts taux de mutation, mais aucun de ces hypothèses ne semble capable d’expliquer toutes les caractéristiques génomiques observées. Dans cette thèse, nous nous intéressons au cas de l’évolution réductive chez Prochlorococcus, pour laquelle de nombreuses séquences et données sont disponibles. Deux approches sont utilisées pour cette étude : une analyse phylogénétique des génomes de Prochlorococcus, et une approche théorique de simulation où nous testons différents scénarios évolutifs pouvant conduire à une évolution réductive. La combinaison de ces deux approches permet finalement de proposer un scénario plausible pour expliquer l'évolution réductive chez Prochlorococcus. / Given a popular view, evolution is an incremental process based on an increase of molecular complexity of organisms. However, some organisms have undergo massive genome reduction like the endosymbionts. In this case the reduction can be explained by the Muller’s ratchet due to the endosymbiont lifestyle with small population and lack of recombination. However, in some marine bacteria, like Prochlorococcus et Pelagibacter, lineage have undergo up to 30% of genome reduction. Their lifestyle is almost the opposite to the one of the endosymbionts and reductive genome evolution can not be easily explicable by the Muller’s ratchet. Some other hypothesis has been proposed but none can explain all the observed genomic characteristics. In the thesis, I am interested in the reductive evolution of Prochlorococcus. I used two approaches: a theoretical one using simulation where different scenarios are tested and an analysis of Prochlorococcus genomes in a phylogenetic framework to determine the causes and characteristics of genome reduction. The combination of these two approaches allows to propose an hypothetical evolutive history for the reductive genome evolution of Prochlorococcus.

Software developers adapt to the fast-moving nature of software systems with agile development techniques. However, database developers lack the tools and concepts to keep the pace. Whenever the current database schema is evolved, the already existing data needs to be evolved as well. This is usually realized with manually written SQL scripts, which is error-prone and explains significant costs in software projects. A promising solution are declarative database evolution languages, which couple both schema and data evolution into intuitive operations. Existing database evolution languages focus on usability but do not strive for completeness. However, this is an inevitable prerequisite to avoid complex and error-prone workarounds. We present CODEL which is based on an existing language but is relationally complete. We precisely define its semantic using relational algebra, propose a syntax, and formally validate its relational completeness. Having a complete and comprehensive database evolution language facilitates valuable support throughout the whole evolution of a database. As an instance, we present VACO, a tool supporting developers with variant co-evolution. Given a variant schema derived from a core schema, VACO uses the richer semantics of CODEL to semi-automatically co-evolve this variant with the core.

Understanding the conditions that favour the evolution and maintenance of spiteful bacteriocin production combines two important questions from the fields of social evolution and microbiology. Spiteful behaviours, though, initially thought to be rare represent an important class of interactions between bacteria through the production of bacteriocins. Bacteriocins can be considered spiteful as they are costly to produce (in many cases requiring lysis) and are costly to sensitive bacteria (i.e. they are lethal). However, much about the ecology of spiteful behaviours and bacteriocin production remains unclear. Mathematical models have given us important insights into some conditions that should favour bacteriocin production, but few empirical studies exist supporting these results. In this thesis I use the bacterium Pseudomonas aeruginosa (a prolific producer of bacteriocins), to examine conditions that favour bacteriocin production. I also investigate more specific elements about this system and toxin production in general. I find that bacteriocin production in P. aeruginosa closely follows predictions made from mathematical models under a range of different conditions (e.g. frequency, scale of competition, multiple social traits). I also find that resistance can evolve to bacteriocins and biological mechanisms such as the neutralisation of one’s own toxin can have important consequences. Finally, I consider bacteriocin as a policing trait testing predictions about the role that linkage plays in policing. This work represents a comprehensive study into the importance of bacteriocin production in bacteria.

Cette thèse décrit une partie du travail effectué dans le cadre du projet européen Symbrion 1 . Ce projet vise à la réalisation de tâches complexes nécessitant la coopération de multiples robots dans un cadre de robotique en essaim (au moins 100 robots opérant ensemble). De multiples problèmes sont étudiés par le projet dont : l’auto-assemblage de robots en structures complexes et l’auto-organisation d’un grand nombre de robots afin de réaliser une tâche commune. Le principal sujet porte sur les mécanismes d’auto-adaptation pour la robotique modulaire et en essaim, avec un intérêt pour des capacités de forte coordination et de coopération à l’échelle de l’essaim.Les difficultés rencontrées dans la réalisation de ce projet sont dues à l’utilisation de robots dans des environnements ouverts restant inconnus jusqu’à la phase de déploiement. Puisque les conditions d’opérations ne peuvent être prédites à l’avance, des algorithmes d’apprentissage en ligne doivent être utilisés pour élaborer les comportements utilisés. Lorsqu’un grand nombre de robots sont utilisés, plusieurs considérations doivent être prise en compte : capacité de communication réduite, faible mémoire, faible capacité de calcul. Par conséquent les algorithmes d’apprentissage en ligne doivent être distribués à travers l’essaim.De multiples approches ont déjà été proposées pour faire face aux problèmes posés par l’apprentissage en ligne décentralisé de comportements robotiques, parmi lesquels la robotique probabiliste, l’apprentissage par renforcement, et la robotique évolutionnaire. Cependant, le problème abordé dans le cadre de cette thèse se caractérise par le fait que l’on considère un groupe de robots (en lieu et place d’un seul et unique robot). De plus, dû à la nature ouverte de l’environnement, il n’est pas possible de supposer que l’ingénieur humain ait les connaissances nécessaires pour définir les éléments indispensables aux processus d’apprentissage.Assurer l’intégrité de l’essaim est placé en tant que premier élément d’une feuille de route visant à définir un ensemble d’étapes nécessaires à la réalisation d’une tâche par un groupe de robot dans un environnement ouvert :– Étape 1 : Assurer l’intégrité de l’essaim.– Étape 2 : Maintenir les robots disponibles en tant que service à l’utilisateur.– Étape 3 : Réaliser la tâche définie par l’utilisateur.Dans le cadre de cette thèse nous travaillons à la réalisation de l’étape 1 de cette feuille de route, et assumons l’hypothèse de travail suivante :Hypothèse de travail : Dans un cadre de robotique collective en environnement ouvert, la réalisation d’une tâche définie par l’utilisateur implique tout d’abord un comportement auto-adaptatif.Le sujet de cette thèse est la réalisation de solutions algorithmiques décentralisées pouvant garantir l’in- tégrité d’un essaim de robots en environnement ouvert lorsque un système robotique collectif utilise une communication locale. La principale difficulté à sa résolution est le besoin de prendre en compte l’envi- ronnement. En effet, en fonction de l’environnement courant, les robots peuvent avoir à démontrer une grande variété de comportements à l’échelle globale comme la coopération, la spécialisation, l’altruisme, ou la division du travail.Dans cette thèse nous introduisons et définissons le problème de l’Adaptation Evolutionnaire Distribuée Guidée par l’Environnement. Nous proposons un algorithme pour résoudre ce problem. Cet algorithme a été validé aussi bien en simulation que sur des robots réels. Il a été utilisé pour étudier le problème de l’auto-adaptation dans les environnements suivants :– Environnement où l’émergence de consensus comportementaux est nécessaire.– Environnements où la robustesse face à des changements environnementaux est nécessaires.– Environnements où des comportements altruistes sont nécessaires. / Cette thèse décrit une partie du travail effectué dans le cadre du projet européen Symbrion 1 . Ce projet vise à la réalisation de tâches complexes nécessitant la coopération de multiples robots dans un cadre de robotique en essaim (au moins 100 robots opérant ensemble). De multiples problèmes sont étudiés par le projet dont : l’auto-assemblage de robots en structures complexes et l’auto-organisation d’un grand nombre de robots afin de réaliser une tâche commune. Le principal sujet porte sur les mécanismes d’auto-adaptation pour la robotique modulaire et en essaim, avec un intérêt pour des capacités de forte coordination et de coopération à l’échelle de l’essaim.Les difficultés rencontrées dans la réalisation de ce projet sont dues à l’utilisation de robots dans des environnements ouverts restant inconnus jusqu’à la phase de déploiement. Puisque les conditions d’opérations ne peuvent être prédites à l’avance, des algorithmes d’apprentissage en ligne doivent être utilisés pour élaborer les comportements utilisés. Lorsqu’un grand nombre de robots sont utilisés, plusieurs considérations doivent être prise en compte : capacité de communication réduite, faible mémoire, faible capacité de calcul. Par conséquent les algorithmes d’apprentissage en ligne doivent être distribués à travers l’essaim.De multiples approches ont déjà été proposées pour faire face aux problèmes posés par l’apprentissage en ligne décentralisé de comportements robotiques, parmi lesquels la robotique probabiliste, l’apprentissage par renforcement, et la robotique évolutionnaire. Cependant, le problème abordé dans le cadre de cette thèse se caractérise par le fait que l’on considère un groupe de robots (en lieu et place d’un seul et unique robot). De plus, dû à la nature ouverte de l’environnement, il n’est pas possible de supposer que l’ingénieur humain ait les connaissances nécessaires pour définir les éléments indispensables aux processus d’apprentissage.Assurer l’intégrité de l’essaim est placé en tant que premier élément d’une feuille de route visant à définir un ensemble d’étapes nécessaires à la réalisation d’une tâche par un groupe de robot dans un environnement ouvert :– Étape 1 : Assurer l’intégrité de l’essaim.– Étape 2 : Maintenir les robots disponibles en tant que service à l’utilisateur.– Étape 3 : Réaliser la tâche définie par l’utilisateur.Dans le cadre de cette thèse nous travaillons à la réalisation de l’étape 1 de cette feuille de route, et assumons l’hypothèse de travail suivante :Hypothèse de travail : Dans un cadre de robotique collective en environnement ouvert, la réalisation d’une tâche définie par l’utilisateur implique tout d’abord un comportement auto-adaptatif.Le sujet de cette thèse est la réalisation de solutions algorithmiques décentralisées pouvant garantir l’in- tégrité d’un essaim de robots en environnement ouvert lorsque un système robotique collectif utilise une communication locale. La principale difficulté à sa résolution est le besoin de prendre en compte l’envi- ronnement. En effet, en fonction de l’environnement courant, les robots peuvent avoir à démontrer une grande variété de comportements à l’échelle globale comme la coopération, la spécialisation, l’altruisme, ou la division du travail.Dans cette thèse nous introduisons et définissons le problème de l’Adaptation Evolutionnaire Distribuée Guidée par l’Environnement. Nous proposons un algorithme pour résoudre ce problem. Cet algorithme a été validé aussi bien en simulation que sur des robots réels. Il a été utilisé pour étudier le problème de l’auto-adaptation dans les environnements suivants :– Environnement où l’émergence de consensus comportementaux est nécessaire.– Environnements où la robustesse face à des changements environnementaux est nécessaires.– Environnements où des comportements altruistes sont nécessaires.

Existe um processo de evolução do esporte, uma busca pelo dinamismo que influenciou o jogo técnica e taticamente, acompanhando a estruturação da modalidade manuais de Basquete foram criados como um dos primeiros utilizados no Brasil pela Escola de Educação Fisica do Exército em 1971 até os dias atuais. Nessa perspectiva, o presente trabalho, através de um levantamento histórico da evolução do esporte, tem como objetivo identificar a evolução e o comportamento da defesa no Basquetebol Brasileiro Masculino Adulto, identificando quais são as ações defensivas coletivas dentro de um jogo formal de Basquetebol brasileiro masculino adulto; os fatores que levaram os sistemas defensivos a sofrerem alterações; como a defesa no Basquetebol se articula na forma como o esporte e jogado nos dias atuais. Criado pelo James Naismith com 5 normas para a prática do jogo, para os dias atuais com 8 regras divididas em 50 artigos, o basquetebol passou por um processo de evolução e diversas alterações na dinâmica do jogo aconteceram, por conta desse processo de evolução e alteração das regras, desde os primeiros relatos do sistema defensivo individual até os dias de hoje, que levou a uma classificação dos sistemas defensivos. Para organização pedagógica do trabalho, escolheu-se seguir a classificação dos sistemas defensivos apresentada por Paes, Montagner e Ferreira (2009) e para o cumprimento da análise proposta, foram entrevistados 14 profissionais, dentre eles, técnicos, ex-atletas, árbitros e especialistas. O estudo utilizou uma abordagem qualitativa de natureza aplicada no qual foram realizadas entrevistas individuais de profundidade, baseadas em um tópico guia seguindo a proposta metodologia da entrevista narrativa e para a análise dos dados, a Análise de Conteúdo de Bardin (2016). Ao todo, foram criadas 103 unidades de registro através da análise proposta, divididas nas fases do tópico guia da entrevista. O jogo conceito, atleticismo e a pressão foram grupos focais de análise com maior incidência na categoria de características do jogo, além dos três grupos aparecerem em mais de uma categoria e terem outros grupos que de alguma forma, podem ser relacionados a eles, o jogo conceito e as nomenclaturas ganham destaque, sendo talvez a próxima fase do jogo, a próxima evolução, de um esporte cada vez mais atlético e com o espaço reduzido devido ao atleticismo e as valências físicas dos atletas, sendo o atleticismo um fator determinante para alterações no basquetebol como esporte e em seus sistemas de jogo. Seguindo os objetivos do trabalho, foi apresentada a interpretação para evolução dos sistemas defensivos, dentro dessa evolução, foi apresentada uma classificação com quatro grandes grupos de sistemas defensivos. Concluiu-se que o basquetebol evoluiu devido o atleticismo dos jogadores, que levou ao maior contato físico, os sistemas se articulam através do jogo conceito, assim sendo, se faz necessária a atualização dos conteúdos dos grupos, porém, a classificação tradicional dos sistemas defensivos é considerada válida pelos entrevistados / Since its creation in 1891 basketball has been evolving, internationalized and institutionalized, to the modality as it is practiced today. There is a process of evolution of the sport, a search for dynamism that influenced the game technically and tactically, accompanying the structuring of the game manuals of that was created similar to the one first used in Brazil by the Armys Physical Education School in 1971 until present day. In this perspective, the present work, through a historical survey of the basketball evolution, aims to identify the evolution and defensive behavior in the male Brazilian basketball, identifying which are the collective defensive actions within a basketball game; the factors that led the defensive systems to change; as the basketball defense is articulated the way the game is played in the present day. This research was conducted through interviews with former athletes, coaches, referees and experts of the sports. Created by James Naismith with 5 rules to play the game, for the present days with 8 rules divided in 50 articles, basketball has undergone a process of evolution and several changes in game dynamics appeared, due to this process and the changes of the rules, from the first reports of the individual defensive system to the present days, wihich led to a classification of defensive systems. For the pedagogical organization of this research, it was chosen to follow the defense methods presented by Paes, Montagner and Ferreira (2009) and for the fulfillment of the proposed analysis, 14 professionals were interviewed, among them, former athletes, coaches, referees and basketball specialists. The Study used a qualitative approach of applied nature, using the individual interview of depth, based on a topic guide following the proposed methodology of the narrative interview and for analysis of the data, Bardins Contend Analyses (2016). Altogether, 103 recording units were created through the proposed analysis, divided into phases of the interview guide topic. The game concept, athleticism and pressure were focus groups of analysis with more incidence in the game characteristics category, besides these three groups appear in more categories and have other groups that of some form, can be related to them, the game concept and the terminologies are highlihjted, being perhaps the next phase of the game evolution, in an increasingly athletic and with lesser space on the court due to the athleticism and physical values of the athletes, being the athleticism a determinant factor for changes in the basketball. Following the objectives of the work, we presented the interpretation of the defensive systems evolution, a classification with four large groups of defensive systems. It was concluded that basketball evolved due to athleticism of the players, which led to greater physical contact, systems are articulated through the concept game, thus, it is necessary to update the contents of the groups, however, the classification of defensive systems still is valid