Les champignons sont des microorganismes essentiellement connus en écosystèmes aériens, s'étant diversifiés en milieu continental. A partir d'analyses d'horloges moléculaires, nous avons émis l'hypothèse d'une diversification des champignons dans les océans. Par ailleurs, de nombreux auteurs considèrent les écosystèmes hydrothermaux marins profonds comme le Berceau de la Vie : nous avons donc choisi d'étudier ces milieux, très peu exploités en terme de diversité fongique, dans l'espoir de retrouver des champignons ayant conservé des caractères ancestraux de ce Règne. Des analyses de diversité (établies après la création d'une base de données moléculaires dédiée), par PCR indépendantes de la culture (amplification du gène codant l'ARNr18S), ont révélé des organismes se branchant à la base de la phylogénie des champignons (phylum Chytridiomycota), en accord avec notre hypothèse de travail, couplée à une forte diversité spécifique fongique (phyla Chytridiomycota, Basidiomycota, et Ascomycota). Des souches isolées de ces écosystèmes en laboratoire ont également permis de détecter de nombreuses nouvelles espèces de champignons (phylum Ascomycota). Ces 2 approches combinées nous ont ainsi permis de révéler une diversité insoupçonnée dans ces milieux. Des hypothèses évolutives sur la diversification des champignons en milieu marin ont ainsi pu être proposées. Le second objectif de notre travail était de connaître les rôles de ces organismes au sein de ces écosystèmes. Pour cela, nous avons choisi une approche métagénomique originale : l'échantillon choisi sur la base de la fréquence du gène codant l'ARNr18S et des études de diversité, a été pyroséquencé (GS FLX ; 454 Life Sciences, ROCHE). L'échantillon testé contenait un seul phylotype fongique, constituant une branche profonde des champignons (phylum Chytridiomycota). Six ng d'ADN extraits ont été pyroséquencés en 3 runs indépendants : 168.909 contigs (longueur moyenne : 352 pb) ont été assemblés à partir de 1.441.839 séquences individuelles. Deux approches ont alors été choisies. La première consistait à analyser les contigs générés, afin d'extraire les fragments de gènes fongiques et de reconstruire leur métabolisme hypothétique. Des hypothèses de fonctionnement métabolique des champignons dans ces milieux, établies sur la base de recherche d'homologies dans les bases de données (BLASTX, ORF finder, KOG,...) ont pu être établies. La seconde approche, basée cette fois sur l'étude des séquences non assemblées, consistait à reconstruire les voies métaboliques du métagénome (BLASTX, mgRAST, ASGARD), et reconstituer la composition taxonomique de notre échantillon (MEGAN). Les résultats de l'analyse métagénomique présentés dans cette thèse, nous ont permis d'émettre des hypothèses sur les modes de vie des champignons en écosystème hydrothermal et nous ont également permis de reconstruire avec succès les métabolismes bactériens dominants dans l'écosystème. Les limites de cette analyse, ainsi que les nombreuses perspectives qu'offrent ce travail sont également développées.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le bisphénol A (BPA) est un perturbateur endocrinien couramment employé dans l’industrie agroalimentaire, en particulier pour les matériaux en contact des denrées alimentaires. Son utilisation dans la fabrication de polycarbonates et de résines époxy, recouvrant la face interne des boîtes de conserve et des canettes, en fait un contaminant ubiquitaire de l’alimentation humaine. L’augmentation de l’exposition humaine à ce contaminant a été corrélée avec la récurrence de certains troubles comme l’intolérance alimentaire, l’obésité ou le diabète de type 2. Ces dernières années, une attention particulière a été portée sur sa capacité à perturber différentes fonctions physiologiques, dont celle du système immunitaire, après exposition périnatale à des niveaux environnementaux pertinents pour l’Homme. Dans une première étude, nous avons montré qu’une exposition périnatale au BPA à 50 µg/kg de poids corporel/jour induit une diminution de l’activité anti-microbienne corrélée à une chute de l’expression du lysozyme dans l’iléon de la descendance femelle. La perméabilité intestinale de ces individus augmente en association avec le niveau d’IFN- dans les muqueuses du côlon. De plus, nous observons une diminution des plasmocytes à IgA associée à une perte de sécrétion d’IgA dans les fèces, démontrant un défaut de la fonction barrière et des défenses de l’intestin chez la descendance BPA. De manière intéressante, une diminution de la fréquence des ILC3 intestinaux est observée chez ces individus, avec une augmentation du niveau d’IgG sanguin dirigé contre une E.coli commensale. Ces effets sont associés à un défaut de maturation et de capacité migratoire des cellules de la lamina propria (LP) et de la rate. L’exposition périnatale au BPA provoque une augmentation de la sécrétion d’IFN- et d’IL-17 après re-stimulation in vitro CD3/CD28 des cellules de la LP, et une réponse de type Th17 dans la rate. Réunis, ces effets confortent la capacité du BPA, lors d’une exposition périnatale, à induire une intolérance alimentaire chez la descendance femelle. Dans une seconde étude, nous avons mis en évidence que l’exposition périnatale au BPA, à la même dose, induit des perturbations de l’homéostasie du système immunitaire intestinal et systémique chez la descendance mâle au jour 45, via une diminution de la fréquence des Th1 et Th17 dans la LP et une augmentation de la réponse Th1 et Th17 dans la rate. Ces impacts apparaissent en parallèle avec une altération de la sensibilité au glucose, une diminution de la sécrétion d’IgA dans les fèces et un appauvrissement des bifodobacteria dans le microbiote intestinal de ces individus. L’ensemble de ces évènements précède l’infiltration de macrophages M1 pro-inflammatoires dans le tissu adipeux péri-gonadique, en association avec une diminution de la sensibilité à l’insuline et une augmentation du poids corporel apparaissant avec le vieillissement (jour 170) chez la descendance BPA. Cette étude longitudinale a permis de proposer une séquence d’évènements aboutissant à un phénotype obèse et au T2D lors d’une exposition périnatale au BPA, et ainsi de comprendre le rôle du système immunitaire en lien avec le microbiote intestinal dans le développement de ces désordres métaboliques. Enfin, nous émettons l’hypothèse que les bisphénols S et F, deux analogues structuraux du BPA, peuvent disposer de capacités immunomodulatrices équivalentes à celles du BPA, susceptibles de provoquer les mêmes troubles chez la descendance. Nous avons testé cette hypothèse de manière préliminaire chez la descendance femelle après exposition périnatale au BPS et au BPF. Des résultats préliminaires d’études in vitro sur ces deux composés en comparaison au BPA sont également apportés. Ce travail de thèse contribue à accroître les connaissances relatives aux effets immunotoxiques des bisphénols dans le contexte de l’origine développementale des pathologies chroniques de l’adulte (DOHaD). / The endocrine disruptor bisphenol A (BPA) is commonly found in food industry, more precisely in food contact packaging. BPA is used to manufacture polycarbonate plastics and epoxy resins lining food and beverage cans, becoming an ubiquitous contaminant in human food. The extent of human exposure to this chemical is thought to be correlated with the occurrence of disorders like food intolerance, obesity and type-2 diabetes (T2D). During last years, a particular interest have been raised about its ability to disrupt various physiological functions, including immune system, after perinatal exposure at relevant environmental doses for Human. In the first study, we showed that perinatal exposure to BPA (50 µg/kg body weight/day) decreased anti-microbial activity and ileal lysozyme expression in the female mouse offspring. In those mice, we observed an increased gut permeability, in association with an increase of colonic IFN- level. Moreover, we observed a decrease of IgA+ cells with a loss of IgA secretion into faeces, depicting intestinal barrier and defense function defects in BPA female offspring. Interestingly, a decrease of the intestinal ILC3 frequency associated with an increase of IgG against commensal E.coli in sera have been observed in these individuals. These effects were linked to a defect of maturation and migratory ability of dendritic cells from lamina propria (LP) and spleen. Perinatal exposure to BPA also increased IFN- and IL-17 secretions after in vitro stimulation in the gut and elicited Th17 response in the spleen. Altogether, these effects support the ability of a perinatal exposure to BPA to induce oral intolerance with ageing in female offspring. Secondly, we showed that perinatal exposure to BPA at the same dose led to intestinal and systemic immune system homeostasis disturbances in male mouse offspring at day 45, through a decrease of Th1 and Th17 frequencies in the LP and an increase of Th1 and Th17 response in spleen. These effects were associated with an altered glucose sensibility, a decrease of faecal IgA secretion and a fall of bifidobacteria in the microbiota of these individuals. These BPA-mediated events precede infiltration of pro-inflammatory M1 macrophages in gonadal white adipose tissue, together with a decreased insulin sensitivity and an increased weight gain. This longitudinal study allowed us to better understand the sequential events linked to perinatal exposure to BPA that lead to obesity and T2D, and highlighted the role of immune system linked to gut microbiota in the development of these metabolic disorders. Finally, we hypothesized that two structural analogs of BPA –i.e., Bisphenol S and F- can display similar immune-modulatory effects that could lead to similar developmental disturbances than BPA in exposed-offspring. This hypothesis was tested in a preliminary experiment in female mouse offspring perinatally exposed to BPS and BPF. We also provided preliminary results of these two compounds, compared to BPA, from an in vitro study. This thesis contributes to the increase knowledge about the immunotoxic effects of bisphenol compounds in the context of the Developmental Origins of Health and Disease (DOHaD).

Les objectifs de cette thèse étaient de définir le retard de croissance intra-utérin chez le nouveau-né prématuré, d’étudier ses conséquences en terme de morbidité néonatale et de pronostic à long terme et d’évaluer les liens existant entre retard de croissance intra-utérin, croissance extra-utérine et pronostic des prématurés. Nous avons mis en évidence dans un premier temps que le seuil strict de définition d’un « nouveau-né petit pour l’âge gestationnel» ne pouvait se limiter dans le cadre de la prématurité au 10ème percentile mais s’étendre au-delà, au moins jusqu’au 20ème percentile. Par ailleurs, se limiter au poids n’était pas suffisant et qu’une définition par l’association entre poids et périmètre crânien était pertinente en terme de pronostic tant à court qu’à long terme.Nous avons montré que la restriction de croissance intra-utérine était associée au pronostic neurologique des grands prématurés en terne de déficience cognitive et difficultés scolaires essentiellement et ce même pour des prématurés modérés et une restriction de croissance peu sévère et que l’effet du retard de croissance était modulé selon l’âge gestationnel de naissance. Concernant la croissance extra-utérine, nous avons montré qu’elle était elle-même associée au pronostic neurologique des prématurés mais que cet effet était variable selon la croissance anténatale.Enfin, nous nous sommes interrogés sur les conséquences à court terme des efforts faits par les néonatologistes afin d’optimiser la croissance post-natale des prématurés par une revue de la littérature et montré qu’ils existaient des anomalies métaboliques engendrées par une nutrition agressive qu’il convenait de surveiller. / Our main objectives were to define intrauterine growth restrictions in preterm infants to study its consequences in terms of neonatal morbidity and long-term prognosis and also assessment to study the relationship between intrauterine growth restriction, extra-uterine growth and neurological outcomes.We showed initially that strict threshold definition of a "small for gestational age" preterm could not be limited in the context of prematurity in the 10th percentile, but extend beyond, at least to the 20th percentile. Furthermore, to define growth restriction studying, weight was not enough. A definition by the association between weight and head circumference was relevant in terms of prognosis in both the short and long term.We found that growth restriction in very preterm and neurological outcome were significantly associated. Small for gestational age preterm infants were more likely to have cognitive impairment and school difficulties even for moderate preterm and moderate growth restriction. Gestational age was an important factor that modulates the association between growth restriction and outcome. Concerning extra-uterine growth, we have shown that it was associated with neurological outcome but this effect varied with antenatal growth pattern.Finally, we studied by literature review, the short-term consequences of optimized postnatal growth of premature infants and showed metabolic abnormalities caused by an aggressive nutrition that required necessary monitoring.

Résumé Les systèmes microbiologiques naturels (colonne d’eau), semi-naturels (station d’épuration), mais surtout industriels ou de laboratoire (bioréacteurs) sont communément représentés par des modèles mathématiques destinés à l’étude, à la compréhension des phénomènes ou au contrôle des processus (de production, par exemple). Dans l’énorme majorité des cas, lorsque les cellules (procaryotes ou eucaryotes) mises en jeu dans ces systèmes sont en suspension, le formalisme de ces modèles non structurés traite le système comme s’il était homogène. Or, en toute rigueur, il est clair que cette approche n’est qu’une approximation et que nous avons à faire à des phénomènes hétérogènes, formés de plusieurs phases (solide, liquide, gazeuse) intimement mélangées. Nous désignons ces systèmes comme « polyphasiques dispersés » (SPD). Ce sont des systèmes thermodynami-quement instables, (presque) toujours ouverts. La démarche que nous avons entreprise consiste à examiner si le fait de considérer des systèmes dits « homogènes » comme des systèmes hétérogènes (ce qu’ils sont en réalité) apporte, malgré une complication du traitement mathématique, un complément d’information significatif et pertinent. La démarche s’est faite en deux temps : · Une étape purement théorique, destinée à établir de manière rigoureuse et générale les bilans de matière pour chaque composé du système dans chacune de ces phases. · Une étape appliquée, visant à démontrer, au travers d’exemples concrets, la validité du concept et de la démarche. Pour l’étude des applications, pour diverses raisons, nous avons choisi d’étudier un bioréacteur ouvert « simple », le chémostat. Les bilans généraux dérivés à la première étape ont donc été appliqués à ce réacteur et plusieurs exemples, tirés de la littérature, pour la plupart, ont été traités dans le cadre des SPD. Les principaux résultats exposés dans le travail concernent : - sur le plan général, la pertinence d’une partition des systèmes en plusieurs phases, ce qui fait apparaître à la fois des flux d’échange interphasiques (qui n’apparaissent pas dans les systèmes dits monophasiques) et la possibilité de représenter le système à plusieurs niveaux de description. - quant aux applications, outre quelques petits exemples simples, nous proposons 1) un nouveau mécanisme pour représenter la dissipation de l’énergie cellulaire (un domaine encore très controversé), grâce à une approche implicite (c’est-à-dire, sans hypothèses particulières sur la forme des cinétiques intracellulaires) et 2) un modèle simple, original et innovant pour expliquer les signaux chimiques intercellulaires, les phénomènes de seuil et le branchement métabolique respiro-fermentatif en général et chez Saccharomyces cerevisiae en particulier, un mécanisme d’intérêt fondamental et industriel (levuristes et fermentations alcooliques). Abstract. Natural microbiological systems (rivers, seas, …), semi-natural (wastewater treatment plants), but especially industrial or lab-scale systems (bioreactors) are commonly represented by mathematical models intended for the study, the understanding of phenomena or for the control of processes (production, for example). In almost in every case, when the cells (prokaryotic or eukaryotic) concerned in these systems are in suspension, the formalism of these unstructured models treats the system as if it were homogeneous. However, in any rigor, this approach is clearly only an approximation and we have to deal with heterogeneous phenomena, formed of several phases (solid, liquid, gas) closely mixed. We refer to these systems as “polyphasic dispersed systems” (PDS). They are thermodynamically unstable systems, and are (practically) always open. The approach we undertook consists in examining if treating apparent «homogeneous» systems as heterogeneous systems (what they actually are) brings, in spite of some mathematical complications, further significant and relevant information’s. We proceeded in two steps: · A purely theoretical stage, intended to establish in a rigorous and general way the mass balances for each compound in each phases of the system. · A applied stage, aiming at showing, through concrete examples, the soundness of the concept and of the method. Concerning the applications, for several reasons, we chose to study a “simple” open bioreactor: the chemostat. The general balances previously derived in a general way were hence applied to this reactor and a number of examples, mainly obtained from the literature, were treated within the PDS framework. The principal results presented in this work concern: - on the general level, the importance of partitioning the system in different phases, enlightening at the same time interphasic exchange flows (which do not appear in the systems known as monophasic) and the possibility of representing the system on several levels of description. - concerning the applications, in addition to some small simple examples, we propose 1) a new mechanism representing the cellular energy dissipation (a still very controversial field), using an implicit approach (i.e., without particular assumptions about the form of the intracellular kinetics) and 2) a simple, original and inventive model explaining cellular chemical signaling, threshold phenomena and a general metabolic switch occurring during respirofermentative transition. The latter was especially tested on Saccharomyces cerevisiae data to interpret the Crabtree effect in yeast, a mechanism of fundamental and industrial importance (in connection with baker’s yeast production and alcoholic fermentations).

Les approches thérapeutiques à base d’anticorps monoclonaux font partie des avenues les plus encourageantes pour le traitement de nombreux cancers. Les cellules ovariennes de hamster chinois (CHO) demeurent la plateforme d’expression d’anticorps la plus couramment utilisée dans l’industrie et est actuellement la plus efficace pour la production à grande échelle. Ces cellules sont capables de produire des anticorps présentant un patron de glycosylation très proche du profil humain et d’atteindre des niveaux de production généralement plus élevés que ceux obtenus avec les autres lignées cellulaires continues existantes. Ces dernières années, les progrès accomplis dans le développement de procédés en cuvée alimentée (fed-batch) ont permis d’augmenter significativement les rendements de production. Néanmoins, les performances des procédés de culture demeurent limitées par les caractéristiques métaboliques des cellules utilisées. Celles-ci présentent en effet une glycolyse et une glutaminolyse dérégulées associées à une forte production de métabolites toxiques tels que le lactate et les ions ammonium. Seule une fraction minime du pyruvate issu de la métabolisation du glucose est incorporée dans le cycle des acides tricarboxyliques (ATC), ce qui explique en partie le métabolisme peu efficace des cellules CHO. Une des enzymes responsables de la connexion entre la glycolyse et le cycle des ATC est la pyruvate carboxylase qui catalyse la conversion du pyruvate en oxaloacétate. Dans les cellules CHO, seulement 5 à 10 % du pyruvate est métabolisé par cette enzyme. Ce projet de recherche s’appuie sur l’hypothèse selon laquelle contrer la déficience de l’activité de la pyruvate carboxylase dans les cellules CHO pourrait pallier en partie au phénomène de dérégulation de la glycolyse, ce qui permettrait d’améliorer la productivité d’anticorps des cellules tout en maintenant une glycosylation adéquate du produit final. Au cours de ces travaux, une lignée cellulaire exprimant de façon stable l’enzyme pyruvate carboxylase de levure, au niveau cytosolique (PYC2) a été générée. Cultivées en mode cuvée alimentée, ces cellules ont montré une croissance et une production d’anticorps améliorées par rapport à la lignée parentale non modifiée. L’analyse des flux métaboliques par marquage isotopique a permis de caractériser en détail le métabolisme de ces cellules. Des différences majeures dans la distribution des flux métaboliques intracellulaires notamment au niveau des flux associés à la lactate déshydrogénase et au cycle de Krebs ont été mises en évidence. L’analyse de la glycosylation a révélé pour sa part, que l’augmentation de la production d’anticorps associée à la modification du métabolisme n’avait pas altéré significativement la qualité du produit final. De façon générale, ce projet de recherche semble corroborer l’existence d’un lien entre la productivité d’anticorps et le métabolisme cellulaire. La caractérisation du métabolisme des cellules CHO et plus précisément du métabolisme du lactate participe à améliorer notre compréhension du métabolisme des cellules CHO et pourrait permettre une amélioration plus rationnelle des fonctions cellulaires d’une part, et des conditions de culture d’autre part. / Antibody-based therapy is a promising approach for cancer treatment. Chinese hamster ovary (CHO) cells represents the most common and efficient antibody expression platform for large scale production. Their abilities to perform human-like glycosylation and produce high antibody titer make them the most suitable system compared to other continuous cell lines. In the past few years, advances in fed-batch process development led to significantly increase production yields. Nevertheless, the metabolic features of continuous cell lines constitute a hurdle to the improvement of process performances. Continuous cell lines typically exhibit a deregulated glycolysis and glutaminolysis causing the accumulation of toxic metabolites such as lactate and ammonia. Thus, only a small percentage of pyruvate, derived from glucose, is incorporated into the tricarboxylic acids (TCA) cycle explaining at least, in part the inefficient CHO cell metabolism. The mitochondrial pyruvate carboxylase, which catalyzes the conversion of pyruvate into oxaloacetate, is one of the key enzymes at the junction of the glycolysis and the TCA cycle. In CHO cells, only 5-10 % of the pyruvate pool is metabolized via this pathway. In this project, we hypothesized that counteracting the pyruvate carboxylase deficiency in CHO cells could alleviate in part, the deregulated glycolysis and consequently improve antibody production yield while maintaining satisfactory antibody glycosylation. In this work, a recombinant CHO cell line producing an antibody was further genetically modified with the insertion of a cytoplasmic yeast pyruvate carboxylase (PYC2) gene. Cultivated in fed-batch mode, PYC2 cells exhibited enhanced cell growth and antibody production yield compared to the parental cell line. Metabolic flux analysis using isotopic tracer led to a detailed characterisation of both cell line metabolism. The metabolic flux distribution obtained highlighted major differences in lactate and TCA fluxes. Comparative glycosylation analysis revealed that the metabolism alteration associated with the increase in antibody production did not significantly alter the product quality. This work seems to corroborate the presumed existence of a link between metabolism and antibody productivity. The cell metabolism characterization and more precisely, lactate production contribute to gain knowledge in CHO cell metabolism and led to rationally improve cellular functions and culture conditions.

L'exposition aux mélanges de contaminants (environnementaux, alimentaires ou thérapeutiques) soulève de nombreuses interrogations et inquiétudes vis-à-vis des probabilités d'interactions toxicocinétiques et toxicodynamiques. Une telle coexposition peut influencer le mode d’action des composants du cocktail et donc de leur toxicité, suite à un accroissement de leurs concentrations internes. Le bisphénol A (4 dihydroxy-2,2-diphenylpropane) est un contaminant chimique répandu de manière ubiquitaire dans notre environnement, largement utilisé dans la fabrication des plastiques avec l’un des plus grands volumes de production à l’échelle mondiale. Il est un perturbateur endocrinien par excellence de type œstrogèno-mimétique. Cette molécule est biotransformée en métabolites non toxiques par un processus de glucuronidation. L'exposition concomitante à plusieurs xénobiotiques peut induire à la baisse le taux de glucuronidation du polluant chimique d'intérêt, entre autres la co-exposition avec des médicaments. Puisque la consommation de produits thérapeutiques est un phénomène grandissant dans la population, la possibilité d’une exposition simultanée est d’autant plus grande et forte. Sachant que l'inhibition métabolique est le mécanisme d'interaction le plus plausible pouvant aboutir à une hausse des niveaux internes ainsi qu’à une modulation de la toxicité prévue, la présente étude visait d'abord à confirmer et caractériser ce type d'interactions métaboliques entre le bisphénol A et le naproxène, qui est un anti-inflammatoire non stéroïdiennes (AINS), sur l'ensemble d'un organe intact en utilisant le système de foie de rat isolé et perfusé (IPRL). Elle visait ensuite à déterminer la cinétique enzymatique de chacune de ces deux substances, seule puis en mélange binaire. Dans un second temps, nous avons évalué aussi l’influence de la présence d'albumine sur la cinétique métabolique et le comportement de ces deux substances étudiées en suivant le même modèle de perfusion in vivo au niveau du foie de rat. Les constantes métaboliques ont été déterminées par régression non linéaire. Les métabolismes du BPA et du NAP seuls ont montré une cinétique saturable avec une vélocité maximale (Vmax) de 8.9 nmol/min/ mg prot de foie et une constante d'affinité de l'enzyme pour le substrat (Km) de 51.6 μM pour le BPA et de 3 nmol/min/mg prot de foie et 149.2 μM pour le NAP. L'analyse des expositions combinées suggère une inhibition compétitive partielle du métabolisme du BPA par le NAP avec une valeur de Ki estimée à 0.3542 μM. Les résultats obtenus montrent que l’analyse de risque pour les polluants environnementaux doit donc prendre en considération la consommation des produits pharmaceutiques comme facteur pouvant accroitre le niveau interne lors d’une exposition donnée. Ces données in vivo sur les interactions métaboliques pourraient être intégrées dans un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PBPK) pour prédire les conséquences toxicococinétique (TK) de l'exposition d'un individu à ces mélanges chimiques. / Exposure to mixtures of contaminants (environmental, alimentary or therapeutic) poses many questions and concerns about the probability of toxicokinetic and toxicodynamic interactions. Such co-exposure may influence the mode of action of the cocktail of components and therefore their toxicity, as a result of an increase of their internal concentrations. Bisphenol A (2,2-dihydroxy-4 diphenylpropane) is a ubiquitous chemical contaminant in our environment, widely used in the manufacture of plastics, with one of the largest production volumes globally. It is an endocrine disruptor of oestrogen-mimetic type. This molecule is metabolized into non-toxic metabolites by glucuronidation process. Several factors including the co-exposure to other xenobiotics may reduce the glucuronidation rate of the chemical pollutant of interest, such as a co-exposure with drugs. Given that the consumption of therapeutic products is a growing phenomenon in the population, simultaneous exposures of pollutants with medicinal drugs are becoming a concern for health risk assessment. Knowing that metabolic inhibition is the most plausible mechanism of interaction that could result in an increase of the internal levels and a modulation of the expected toxicity, the present study aimed at confirming and characterizing this type of metabolic interactions between bisphenol A and naproxen, which is a non-steroidal anti-inflammatory drug (NSAID), on the set of an intact organ using isolated and perfused rat liver system (IPRL). The study also served to determine the enzyme kinetics metabolism of each substance alone and in binary mixture. In a second step, we also evaluated the influence of the presence of albumin on the metabolic kinetics and behavior of the two substances studied using the same in vivo perfusion model of rat liver. Metabolic constants were determined by nonlinear regression. The metabolism of BPA and NAP alone demonstrated saturable kinetics with maximal velocity (Vmax) and affinity constant (Km) equal to 8.9 nmol/min/mg prot liver and 51.6 μM for BPA, and 3 nmol/min/mg prot liver and 149.2 μM for NAP. The analysis of combined exposures suggests a partial competitive inhibition of BPA metabolism by NAP with a Ki value estimated at 0.3542 µM. From these results, it appears that the risk assessment of environmental pollutants must therefore consider the consumption of pharmaceutical products as an important agent that can increase the internal levels for a given exposure. Accordingly, these in vivo data on metabolic interactions can be incorporated into a physiologically based pharmacokinetic models (PBPK) to predict the toxicokinetic consequences (TK) of the exposure by an individual to these chemical mixtures.

De nos jours, les cultures mixtes sont considérées comme une sérieuse alternative aux cultures pures pour les procédés de biotechnologie. En effet, les cultures mixtes peuvent fonctionner en réacteur continu, dans des conditions non-stériles et traiter une grande variété de substrats organiques. La principale restriction de l'utilisation de ces bioprocédés en cultures mixtes réside dans leur instabilité liée à la présence de voies métaboliques non désirées résultant d'interactions microbiennes complexes. Notamment, le rôle des bactéries de faible abondance reste à être élucidé. Ce travail a donc consisté, dans un premier temps à déterminer le rôle des bactéries minoritaires dans la production d'hydrogène par voie fermentaire en utilisant un chémostat alimenté en continu avec un milieu à base de glucose. Sept inocula ont été cultivés dans les mêmes conditions opératoires. De façon remarquable, Clostridium pasteurianum a été retrouvé comme espèce dominante de l'écosystème six fois sur sept. Seules la nature et la diversité des espèces minoritaires variaient d'un écosystème à l'autre. Ainsi, il a été montré que la structure des communautés microbiennes a une influence significative sur la production de bio-hydrogène. Au sein de ces communautés, les bactéries en proportion minoritaires jouent un rôle clé en orientant le métabolisme globale de l'écosystème. La deuxième étape de ce travail a consisté à utiliser certaines de ces espèces minoritaires comme Ingénieurs Ecologiques des Ecosystèmes microbiens (IEEM). Pour cela, la structure d'une communauté microbienne productrice d'hydrogène a été modifiée artificiellement en introduisant des souches bactériennes exogènes aux fonctions redondantes et/ou complémentaires des souches indigènes. Les résultats en réacteur batch ont montré que les performances de production d'hydrogène pouvaient être améliorées jusqu'à un facteur 3,5 par l'ajout de certaines souches. Dans l'ensemble, les résultats obtenus ne peuvent être expliqués par de simples interactions trophiques et suggèrent la présence de mécanismes d'interactions de coopération entre microorganismes. De plus, sous des conditions opératoires plus favorables (inoculum, milieu), l'insertion de certaines espèces minoritaires a permis plutôt de stabiliser le métabolisme de l'écosystème microbien sans pour autant en affecter favorablement la production d'hydrogène. Dans tous les cas, les interactions compétitives n'ont pas été favorables à la production d'hydrogène. Enfin, des essais en réacteur continu ont montré que le mode d'implantation des souches peut être un facteur primordial pour l'utilisation d'IEEM. En conclusion, ce travail a montré la potentialité d'utiliser des bactéries exogènes, en proportions minoritaires, comme facteurs biotiques pour stabiliser et/ou orienter les métabolismes microbiens vers des fonctions d'intérêt au sein des cultures mixtes microbiennes. / Nowadays mixed cultures are considered as a serious alternative to pure cultures in biotechnological processes. Mixed cultures can be operated continuously, under unsterile conditions and from various organic substrates. One of the most constraints remains the chronic instability of the mixed culture processes due to the presence of unwanted metabolic pathways resulting from complex microbial interactions. More particularly the role of bacteria in low abundance remains to be elucidated. Therefore this work consisted initially to determine the contribution of sub-dominant bacteria to fermentative hydrogen production using a chemostat continuously fed with a glucose-based medium. Seven inocula were grown under the same operating conditions. Interestingly, Clostridium pasteurianum was found as dominant in six assays on seven at steady state. Only the minority bacterial population differed with regards to their identity and diversity. Acting as true keystone species, these minority bacteria impacted substantially the metabolic network of the overall ecosystem despite their low abundance. In a second step, this work consisted in using some of these minority species as Ecological Engineers of Microbial Ecosystem (EEME). In order to study this aspect, the structure of a hydrogen-producing microbial community has been artificially modified by adding exogenous bacterial strains with redundant functions and/or complementary native strains. Results in batch reactors have shown that the hydrogen production performances could be improved to a 3.5 factor by the addition of certain strains. Results obtained can not be explained by simple trophic interactions and suggest the presence of interaction mechanism of cooperation among microorganisms. Moreover, under more favourable operating conditions (inoculum, culture medium), the addition of certain species in low abundance could stabilize the metabolism of microbial ecosystem without necessarily favourably affect the hydrogen production. In all cases, competitive interactions were not favourable for hydrogen production. Trials were then realised in continuous reactors. These trials have shown that the method used to implant strains in reactors could be a key factor for using the EEME.As a conclusion, this study has shown the potential to use exogenous bacteria, in minority proportions, as biotic factors to stabilised and/or guides microbial metabolisms to functions of interest within microbial mixed cultures.

La biologie des systèmes intègre données et connaissances par des méthodes bioinformatiques, afin de mieux appréhender la physiologie des organismes. Une problématique est l’applicabilité de ces techniques aux organismes non modèles, au centre de plus en plus d’études, grâce aux avancées de séquençage et à l’intérêt croissant de la recherche sur les microbiotes. Cette thèse s’intéresse à la modélisation du métabolisme par des réseaux, et de sa fonctionnalité par diverses sémantiques basées sur les graphes et les contraintes stoechiométriques. Une première partie présente des travaux sur la complétion de réseaux métaboliques pour les organismes non modèles. Une méthode basée sur les graphes est validée, et une seconde, hybride, est développée, en programmation par ensembles réponses (ASP). Ces complétions sont appliquées à des réseaux métaboliques d’algues en biologie marine, et étendues à la recherche de complémentarité métabolique entre Ectocarpus siliculosus et une bactérie symbiotique. En s’appuyant sur les méthodes de complétion, la seconde partie de la thèse vise à proposer et implémenter une sélection de communautés à l’échelle de grands microbiotes. Une approche en deux étapes permet de suggérer des symbiotes pour l’optimisation d’un objectif donné. Elle supporte la modélisation des échanges et couvre tout l’espace des solutions. Des applications sur le microbiote intestinal humain et la sélection de bactéries pour une algue brune sont présentées. Dans l’ensemble, cette thèse propose de modéliser, développer et appliquer des méthodes reposant sur des sémantiques de graphe pour élaborer des hypothèses sur le métabolisme des organismes. / Systems biology relies on computational biology to integrate knowledge and data, for a better understanding of organisms’ physiology. Challenges reside in the applicability of methods and tools to non-model organisms, for instance in marine biology. Sequencing advances and the growing importance of elucidating microbiotas’ roles, have led to an increased interest into these organisms. This thesis focuses on the modeling of the metabolism through networks, and of its functionality using graphs and constraints semantics. In particular, a first part presents work on gap-filling metabolic networks in the context of non-model organisms. A graph-based method is benchmarked and validated and a hybrid one is developed using Answer Set Programming (ASP) and linear programming. Such gap-filling is applied on algae and extended to decipher putative interactions between Ectocarpus siliculosus and a symbiotic bacterium. In this direction, the second part of the thesis aims at proposing formalisms and implementation of a tool for selecting and screening communities of interest within microbiotas. It enables to scale to large microbiotas and, with a two-step approach, to suggest symbionts that fit the desired objective. The modeling supports the computation of exchanges, and solving can cover the whole solution space. Applications are presented on the human gut microbiota and the selection of bacterial communities for a brown alga. Altogether, this thesis proposes modeling, software and biological applications using graph-based semantics to support the elaboration of hypotheses for elucidating the metabolism of organisms.

Le terme symbiose recouvre tous types d'interactions entre espèces et peut être défini comme une association étroite d'espèces différentes vivant ensemble. De telles interactions impliquant des micro-organismes présentent un intérêt particulier pour l'agriculture, la santé, et les questions environnementales. Tous les types d'interactions entre espèces tels que le mutualisme, le commensalisme, et la compétition, sont omniprésents dans la nature et impliquent souvent le métabolisme. La libération de métabolites par des organismes dans l'environnement permet à d'autres individus de la même espèce ou de différentes espèces de les récupérer pour leur usage propre. Dans cette thèse, nous étudions comment les interactions entre espèces façonnentl'environnement. Nous examinons les questions de (i) quels sont les besoins minimaux en éléments nutritifs pour établir la croissance, et (ii) quels métabolites peuvent être échangés entre un organisme et son environnement. L'énumération de tous les ensembles minimaux stoechiométriques de précurseurs et de tous les ensembles minimaux de métabolites échangés,en utilisant des modèles complets de réseaux métaboliques, fournit un meilleur aperçu des interactions entre les espèces. Dans un environnement spatialement homogène, les métabolites qui sont libérés dans un tel environnement sont partagés par tous les individus. Le problème qui se pose alors est de savoir comment les tricheurs, les individus qui profitent des métabolites libérés sans contribuer au bien public, peuvent être exclus de la population. Ceci et d'autres configurations ont déjà été modélisées avec des approches de la théorie des jeux et de l'économie. Nous examinons comment les concepts d'ensembles minimaux de précurseurs stoechiométriques et d'ensembles minimaux de composés échangés peuvent être introduits dans ces modèles / Symbiosis, a term that brings all types of species interaction under one banner, is defined as a close association of different species living together. Species interactions that comprise microorganisms are of particular interest for agriculture, health, and environmental issues. All kinds of species interactions such as mutualism, commensalism, and competition, are omnipresent in nature and occur often at the metabolic level. Organisms release metabolites to the environment which are then taken up by other individuals of the same or of different species. In this thesis, we study how species interactions shape the environment. We examine the questions of (i) what are the minimal nutrient requirements to sustain growth, and (ii) which metabolites can be exchanged between an organism and its environment. Enumerating all minimal stoichiometric precursor sets, and all minimal sets of exchanged metabolites, using metabolic network models, provide a better insight into species interactions. In a spatially homogeneous environment, the metabolites that are released to such an environment are shared by all individuals. The problem that then arises is how cheaters, individuals that profit from the released metabolites without contributing to the public good, can be prevented from the population. This and other configurations were already modeled with approaches from game theory and economics. We examine how the concepts of minimal stoichiometric precursor sets and minimal sets of exchanged compounds can be introduced into such models