Nitrogen is the major component of biosphere. Paradoxically, nitrogen pollution is the concern globally. Ammonia pollution is due to its unceasing rejection into nature such as groundwater, current water and the atmosphere. This phenomenon constitutes a threat for the humanity, land and aquatic flora, and consequently disturbs the balance of natural ecosystem. Recently, that situation has lead to develop various techniques and/or technologies for ammonia removal from municipal and industrial wastewaters. Particularly in the environmental biotechnology area, two main objectives were recently aimed in many research activities: the development of new configurations of competitive bioreactors and the monitoring of partial nitrification process, which are the fundamental basis of this thesis project. In this study, the partial ammonium oxidation process, also called nitrite route, was studied in a 60 litre jet-loop submerged membrane bioreactor pilot plant. The research was organized around six chapters. An exhaustive literature review of the state-of- art of the biological nitrification process and the membrane technologies was performed. The materials and measurement methods were presented. The colorimetric method, the chromatography analysis, the biomass estimation by the suspended solids (SS), the aggregates size measurement, the gas holdup, the gas-liquid mass transfer, the bubbles gas diameter determination, the medium rheology aspects, etc., and the complete equipment of the bioreactor were studied in detail. The plant automation functioning was also studied. Membrane module (Mitsubishi Sterapore-L) characterization was carried out and three characteristic parameters were estimated: the membrane intrinsic resistance Rm, the membrane permeability Lp and the membrane porosity εm. Estimations revealed good agreement between experimental results and theoretical methods based on the Darcys law and the Carman-Kozeny law applicable in microfiltration system. Hydrodynamics and aeration aspects were studied. The mixing in the jet-loop system was characterized by the mixing time (tmix) and the circulation time (tc), respectively. The results showed that the characteristic times (tmix and tc) decrease with an increase in input gas flowrate and the circulated liquid flowrate. A model correlation involving the air and the combined liquid effects was proposed to describe the circulation time evolution. The classical non-steady state clean water test was used to determine the gas-liquid mass transfer coefficient (kLa). It was found to be influenced by the combined action of air and recirculated-liquid flowrates and a correlation has been proposed to describe their influence. The interpretation of kLa results and the system mixing data showed that the developed reactor corresponds to a near perfect mixing tank. This criterion was satisfactorily verified by literature data. The gas holdup (εg) was directly measured by the volume expansion method. In the absence of liquid circulation, εg ranged between 1 and 4% for the investigated range of gas liquid superficial velocities. It was found to increase linearly with the air superficial velocity, which corresponds to the bubbly flow regime. However, in the presence of liquid flowrate, εg slightly increased (from 1 to 6%) with increase in the superficial liquid velocity. A model has been proposed to correlate εg and the air and the recirculated-liquid velocities. The average diameter of the bubbles gas (dB) in the system was also estimated by the Leibson theoretical model based on the Reynolds number at the orifice of the gas distributor. Finally, biological aspects were studied. Respirometry measurements were conducted to characterize the process medium. The mass transfer, the gas holdup and the medium viscosity were determined. The obtained data allowed estimating the α factor and the β factor, respectively. The interaction of the growth of microorganisms into the process and the membrane performance was also investigated and a correlation model was proposed to describe membrane fouling with time. The optimal conditions for ammonium partial oxidation were determined using process monitoring and simulation. Dissolved oxygen (DO), temperature (T) and hydraulic retention time (HRT) were selected to achieve a high nitrite accumulation in the system. The results obtained showed that the selected parameters should be fixed at DO ≈ 2 mgO2.l-1, HRT ≈ 6 7 h and T = 30°C, respectively. The partial nitrification was simulated by the use of the TwoPopNitrification model included into the BioWin 2.2 software. For these simulations, a sequencing ammonia oxidation assumption was adopted: the nitrozation followed by the nitration step, respectively. The corresponding kinetics and stoichiometric constants were estimated by combining literature data and experimental nitrification results. For these estimates, the ammonium oxidation was monitored on several process samples taken at different times. The estimates were also delivered by monitoring the ammonium oxidation on the process operated in the batch mode. The plotting of simulations and experimental results revealed good agreement. In order to investigate the process performance in terms of biological stability, a long time period (≈ 600 days) was simulated. The results showed that a high stable nitrite accumulation (> 95%) could be achieved when the above optimal conditions are imposed to the system. However, after a long time, the accumulated nitrite is converted into nitrate and then the system is disrupted. For the simulated experimental conditions, the process disruption period was located between 180 and 350 days. At this period, a corresponding theoretical purge flowrate was found to range between 0.15 10-3 m3.d-1 and 3.0 10-3 m3.d-1. Simulations also showed that increasing the purge flowrate decreases the sludge retention time and then favours nitrite accumulation into the process. That is an interesting strategy to increase the performance of the biological partial nitrification process.

La protéine OSBP est un transporteur de lipides qui régule la distribution cellulaire du cholestérol. OSBP comprend un domaine PH, deux séquences « coiled coil », un motif FFAT (deux phénylalanines dans un environement acide), et un domaine de liaison de lipides (ORD) à son extrémité C-terminale. Le domaine PH interagit avec le PI(4)P et la petite protéine G Arf1-GTP au niveau du Golgi, alors que le motif FFAT interagit avec la protéine VAP-A, résidente du réticulum endoplasmique (RE). En liant simultanément tous ces déterminants, OSBP stabilise des sites de contact membranaire entre RE et Golgi, permettant ainsi un contre-échange cholestérol / PI(4)P par l'ORD. OSBP contient également une longue séquence N-terminale d’environ 80 aa, intrinsèquement désordonnée, composée principalement de glycine, proline et d'alanine. Nous démontrons que la présence de ce N-terminus désordonné augmente le rayon de Stoke de OSBP tronquée du domaine ORD, et limite sa densité d’association sur la membrane portant le PI(4)P. La protéine dépourvue du N terminus favorise l'agrégation symétrique des liposomes PI(4)P (mimant la membrane du Golgi) par les deux domaines PH du dimère OSBP, alors que la présence de la séquence désordonnée empêche cette association symétrique. De même, nous observons que la distribution d’OSBP sur la membrane de vésicules unilamellaires géantes (GUV) varie selon la présence ou l'absence du N-terminus. En présence de la séquence désordonnée, la protéine est répartie de manière homogène sur toute la surface du GUV, alors que la protéine sans N-terminal a tendance à s'accumuler à l'interface entre deux GUV de type Golgi. Cette accumulation locale ralentit fortement la mobilité de la protéine à l’interface. Un effet similaire du N-terminal sur la dynamique des protéines est observé lorsque l’association de membranes de type ER et Golgi est assuré par des protéines monomériques (dépourvue du coiled coil) en présence de Vap-A. Les résultats de nos expériences in vitro ont été confirmés en cellules vivantes, où la séquence intrinsèquement désordonnée contrôle le recrutement d’OSBP sur les membranes Golgiennes, sa mobilité et sa dynamique d’activité au cours des cycles de transfert de lipides. La plupart des protéines de la famille d’OSBP contiennent des séquences N-terminales de faible complexité, suggérant un mécanisme général de régulation. / Oxysterol binding protein (OSBP) is a lipid transfer protein that regulates cholesterol distribution in cell membranes. OSBP consists of a pleckstrin homology (PH) domain, two coiled-coils, a “two phenylalanines in acidic tract” (FFAT) motif and a C-terminal lipid binding OSBP-Related Domain (ORD). The PH domain recognizes PI(4)P and small G protein Arf1-GTP at the Golgi, whereas the FFAT motif interacts with the ER-resident protein VAP-A. By binding all these determinants simultaneously, OSBP creates membrane contact sites between ER and Golgi, allowing the counter-transport of cholesterol and PI(4)P by the ORD. OSBP also contains an intrinsically disordered ~80 aa long N-terminal sequence, composed mostly of glycine, proline and alanine. We demonstrate that the presence of disordered N-terminus increases the Stoke’s radius of OSBP truncated proteins and limits their density and saturation level on PI(4)P-containing membrane. The N-terminus also prevents the two PH domains of OSBP dimer to symmetrically tether two PI(4)P-containing (Golgi-like) liposomes, whereas protein lacking the disordered sequence promotes symmetrical liposome aggregation. Similarly, we observe a difference in OSBP membrane distribution on tethered giant unilamellar vesicles (GUVs), based on the presence/absence of N-terminus. Protein with disordered sequence is homogeneously distributed all over the GUV surface, whereas protein without N-terminus tends to accumulate at the interface between two PI(4)P-containing GUVs. This protein accumulation leads to local overcrowding, which is reflected by slow in-plane diffusion. The effect of N-terminus is also manifested in monomeric OSBPderived proteins that tether ER-like and Golgi-like membranes in the presence of VAP-A. Findings from our in vitro experiments are confirmed in living cells, where N-terminus controls the recruitment of OSBP on Golgi membranes, its motility and the on-and-off dynamics during lipid transfer cycles. Most OSBP-related proteins contain low complexity N-terminal sequences, suggesting a general effect.

Les membranes biologiques, qui compartimentent les différents éléments du vivant, jouent un rôle essentiel dans les processus biologiques comme la signalisation, le transport, la transmission du message nerveux, etc. Envisagées comme des fluides à deux dimensions, l’étude de leurs propriétés physiques peut nous aider à comprendre certains mécanismes biologiques. Ce travail de thèse s’est intéressé à la mobilité des molécules au sein des membranes, et notamment à deux paramètres essentiels, la viscosité membranaire, et la diffusion latérale. Après avoir optimisé la technique de recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) au microscope confocal, nous avons étudié la mobilité des molécules au sein de deux types de membranes modèles in vitro : la phase éponge d’un surfactant non-ionique (C12E5) et les vésicules géantes unilamellaires (GUVs) lipidiques. 1) La phase éponge (ou L3) : après avoir déterminé son diagramme de phase et montré que les protéines membranaires restent actives dans cette phase, nous avons mesuré la mobilité de protéines par recouvrement de fluorescence après photoblanchiment sur un motif à franges (FRAPP). Cela nous a permis d’obtenir les constantes d’association de protéines de la pompe d’efflux OprM-MexAB, impliquée dans la résistance aux antibiotiques de la bactérie Pseudomonas aeruginosa. Ces interactions dépendent très fortement du degré de confinement de chacune des protéines. 2) Les GUVs : après avoir développé une méthode simple de formation des GUVs, au sein desquelles les protéines membranaires restent actives, nous avons mesuré la diffusion des lipides par FRAP, et montré que dans certaines conditions, ils se déplacent en groupe, ce qui permet d’expliquer la diversité des résultats de la littérature. En mesurant la viscosité membranaire par imagerie microscopique du temps de vie de fluorescence (FLIM), nous avons également montré qu’elle ne se déduit pas nécessairement des modèles hydrodynamiques de diffusion. / Biological membranes, which divide the elements of life, are a key factor in biological processes such as signaling, transport, transmission of an nerve impulse, etc. Seen as two-dimensional fluids, the study of their physical properties could help us understand some unsolved biological mechanisms. This work focused on molecule mobility within membranes, and specifically on two essential parameters: membrane viscosity and lateral diffusion. After optimizing the Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) technique on confocal microscopes, we studied the mobility of molecules within two types of in vitro model membranes: the sponge phase made of a non-ionic surfactant (C12E5) and the giant unilamellar lipidic vesicles (GUVs). 1) Sponge phase (or L3) : after having established its phase diagram and shown that membrane proteins stay active in this phase, we measured protein mobility by Fluorescence Recovery After fringe Pattern Photobleaching (FRAPP). This allowed us to obtain the association constants of the proteins of the efflux pump OprM-MexAB involved in the resistance to antibiotics of the bacteria Pseudomonas aeruginosa. These interactions heavily depend on the degree of confinement of each protein. 2) GUVs : after having developed a simple method for the formation of GUVs, in which membrane proteins stay active, we measured the lipid diffusion by FRAP. We showed that, under certain conditions, they can move together, which explains the diversity of results in the literature. By measuring membrane viscosity by Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM), we also showed that viscosity should not be necessarily deduced from hydrodynamic diffusion models.

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

À ce jour, les analgésiques de choix dans le traitement de la douleur sont toujours les composés opioïdergiques agissant sur le récepteur mu (MOPR), comme par exemple la morphine. Étant donné les effets secondaires indésirables observés avec ces agonistes, des alternatives ont été envisagées pour traiter la douleur adéquatement tout en réduisant les effets indésirables. Un rôle pour le récepteur opioïdergique delta (DOPR) a été proposé, car son activation engendre moins d'effets secondaires que MOPR. Cependant, la faible efficacité analgésique de ses agonistes limite son utilisation clinique. Les études menées dans le laboratoire du Pr Louis Gendron ont pour but principal d'étudier les rôles de DOPR, sa régulation et ses mécanismes d'action pour contrer la douleur. Chez les rongeurs, il est entre autre [i.e. autres] possible d'augmenter l'analgésie induite par les agonistes DOPR dans certaines conditions, comme suite à un traitement chronique avec un agoniste MOPR ou lors d'une douleur de type inflammatoire ou neuropathique. En conditions normales, DOPR semble séquestré au niveau intracellulaire, ce qui pourrait expliquer sa faible efficacité analgésique. Cependant, une augmentation de la disponibilité membranaire de DOPR semble corrélée à l'augmentation de ses effets analgésiques. Différentes hypothèses ont été proposées pour expliquer ce phénomène et ce mémoire présente un survol des différents mécanismes de régulation proposés pour DOPR en s'attardant principalement sur le rôle possible de la substance P. Ce neuropeptide a en effet été décrit comme étant essentiel pour permettre l'expression membranaire de DOPR et ainsi permettre l'analgésie via ce récepteur. Cependant, des différences dans la localisation de la substance P et de DOPR ont été soulevées. Mon étude évalue donc le rôle de la substance P dans l'analgésie produite par des agonistes DOPR dans un modèle de douleur inflammatoire. Les résultats obtenus ici démontrent que la substance P ne semblent [i.e. semble] pas essentielle pour permettre la compétence fonctionnelle de DOPR. Cela suggère donc l'existence de mécanismes de régulation de DOPR indépendants de la substance P. Il ne semble donc pas y avoir un seul et unique mécanisme responsable de la régulation de DOPR, différentes hypothèses sont explorées dans ce mémoire.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les dysferlinopathies constituent un groupe de dystrophies musculaires autosomiques récessives comprenantprincipalement la myopathie des ceintures (LGMD) de type 2B et la myopathie distale de Miyoshi. Elles sont causéespar des mutations dans le gène DYSF qui se situe dans la région chromosomique 2p13.1-13.3 (NM_003494). Ce gènecomporte 55 exons répartis sur plus de 230 kb. Il est exprimé principalement dans le muscle squelettique etcardiaque, mais également dans d'autres tissus (placenta...) et types cellulaires tels que lesmonocytes/macrophages. La dysferline (2080 acides aminés, 237 kDa, O75923) fait partie de la famille des Ferlineset comporte 7 domaines C2, senseur de calcium et un domaine transmembranaire C-terminal.La dysferline participe à la formation des tubules-T et à la fusion des myoblastes en myotubes avec lamyoferline (un autre membre de la famille). Elle est localisée au sarcolemme de la fibre musculaire squelettiqueadulte, où elle joue un rôle dans sa réparation. En effet, chez l’homme comme dans les modèles murins, en absencede dysferline, des vésicules, dont la nature n’est pas clairement établie, s’accumulent sous le sarcolemme lésé sansfusionner avec celui-ci. Elle interagirait avec plusieurs protéines membranaires ou cytosoliques, dont certaines(comme la cavéoline 3) sont aussi impliquées dans d’autres formes de LGMD.Au cours de ma thèse, mon travail a été axé d’une part sur l’amélioration des techniques de diagnostic : étudede délétion/duplication dans le gène DYSF par CGH et le développement d’un test permettant d’évaluerl’absence/présence de la dysferline à partir de sang total par des techniques de FACS et d’immunofluorescence.D’autre part j’ai également étudié la pertinence d’approches thérapeutiques. Ainsi, nous avons mis en évidence unelarge délétion homozygote des ¾ du gène DYSF chez une patiente présentant un phénotype modéré dedysferlinopathies. Cette délétion permet cependant la production d’une dysferline tronquée. L’identification decette miniprotéine, la première identifiée à ce jour a permis de mettre en évidence l’aspect en partie modulaire dela dysferline. Une autre donnée sur le caractère modulaire de la dysferline est apparue dans la littérature, cette foismontrant le caractère dispensable de l’exon 32. Sur la base de cette observation clinique, nous avons développéune approche thérapeutique par saut d’exon pour les dysferlinopathies, en démontrant dans un premier temps safaisabilité technique sur l’exon 32.L’ensemble de ces travaux permettront probablement l’amélioration du diagnostic différentiel desdysferlinopathies, tout en fournissant de nouvelles pistes pour comprendre les rôles de la dysferline et offrir ainsides pistes thérapeutiques pour le traitement de patients souffrant de ces pathologies. / Dysferlinopathies are a group of autosomal recessive muscular disorders including mainly limb girdlemuscular dystrophy 2B (LGMD2B) and Miyoshi Myopathy (MM), caused by mutation in DYSF gene (2p13.1-13.3). It is composed by 55 exons spreading on 234 kb of genomic DNA and it is expressed mainly in skeletal and heart muscle and monocytes/macrophages.Dysferlin (2080 amino-acids, molecular weight 237 kDa) belongs to the Ferlin family as Myoferline, which is also expressed in muscle. Dysferlin is involved with Myoferlin in myoblasts fusion and T-tubule formation. In adult skeletal muscle, Dysferlin is localized at the sarcolemma where it plays its main function: the sarcolemma repair after muscular wounding. It has been suggested that Dysferlin allows them to fuse with the plasma membrane in order to provide the required plasma membrane to reseal the wound. During these years, my work was essentially focused on the improvement of diagnosis technique (evaluation of CGH array to detect deletion/duplication event in DYSF gene and development of test able to detect absence/presence of Dysferlin in whole blood), the functional exploration of diagnosis technique (evaluation of CGH array to detect deletion/duplication event in DYSF gene and development of test able to detect absence/presence of Dysferlin in whole blood), and the development of promising therapeutics approaches: AAV gene transfer of a minidysferlin which was identified in patient presenting a mild phenotype and for the first time the demonstration of the feasibility of an exon-skipping therapeutics strategy for dysferlinopathies.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.