L‘objectif général du présent travail est la conception et le développement d‘un procédé original de culture de microalgues pour la production à grande échelle d‘huiles végétales à faible coût pour le marché du biodiesel. Une procédure multicritères de sélection de souches a d‘abord été mise au point afin d‘identifier la souche la plus susceptible de répondre favorablement aux paramètres du procédé préalablement déterminés. Cette procédure permet d‘inclure un grand nombre de critères et de considérer l‘importance relative de chacun de ces critères dans le pointage final accordé aux souches présélectionnées. Elle peut aussi être transposée à d‘autres contextes techniques et géographiques pour la sélection de souches destinées à diverses applications commerciales. Par la suite, l‘évaluation de la croissance et de la productivité lipidique de la souche sélectionnée a été effectuée au laboratoire, en mode nutritionnel mixotrophe, en présence d‘un important coproduit de l‘industrie laitière : le perméat de lactosérum. Le profil lipidique de la souche privilégiée, ainsi que sa capacité à hydrolyser le lactose, mise au jour pour la première fois, ont permis de démontrer le potentiel du procédé. Une méthode de suivi de consommation et d‘hydrolyse du lactose contenu dans le perméat de lactosérum a été développée par l‘intermédiaire de la technologie « spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier » couplée à une sonde externe avec « prisme à réflectance totale atténuée » (FT-IR/ATR) ainsi que la conception de modèles univariés et multivariés de type « régression des moindres carrés partiels (PLS) ». Ce type de modèle est plus précis que ceux déjà existants pour le suivi des sucres dissous par la méthode infrarouge car l'utilisation de régressions PLS permet de tenir compte du phénomène d‘additivité des spectres lorsque différents analytes pouvant absorber dans une même région du spectre sont présents dans la solution. De plus la méthode développée permet d‘envisager un suivi in situ de la consommation des sucres dans une culture de microorganismes à l‘échelle industrielle. La méthode des surfaces de réponse (RSM) a ensuite été utilisée afin d‘optimiser les conditions de pH et de densité de biomasse permettant de provoquer une accumulation de lipides à l‘intérieur de cultures de microalgues carencées en azote. Des modèles prédictifs ont été construits pour trois souches différentes et ce en modes nutritifs photoautotrophe et hétérotrophe. Ces travaux ont permis de démontrer l‘existence d‘une interaction entre ces deux facteurs. De plus, certaines différences spécifiques ont pu être mises en évidence en comparant les réponses entre les souches. À la lumière des résultats obtenus, certains paramètres d‘optimisation devront être considérés dans le cadre d‘un procédé de production de biomasse microalgale oléagineuse en deux phases; la première phase permettant d‘obtenir une productivité en biomasse maximale par une stratégie d‘augmentation du taux d‘hydrolyse du lactose; la seconde phase permettant une accumulation de lipides grâce à l‘imposition de conditions environnementales spécifiques. L‘augmentation des connaissances disponibles sur les microalgues ainsi que l‘amélioration et la standardisation des techniques de génie génétique nous permettront d‘aborder ces problématiques d‘un point de vue différent dans le futur.

L'augmentation de la consommation du pétrole, principale source d'énergie fossile actuelle, utilisée en grande partie par le secteur du transport, fera en sorte que ses réserves risquent de diminuer dans le futur. Ainsi, la dépendance des pays consommateurs vis-à-vis des pays producteurs ne fera que s'accentuer. Par ailleurs, les transports sont considérés comme la première source d'émissions de gaz à effet de serre (GES) dont le dioxyde de carbone (CO2), gaz lié aux changements climatiques. Ces facteurs ainsi que l'instabilité des cours du pétrole ont incité les politiques et par conséquent les chercheurs à trouver, de façon urgente, des sources alternatives au pétrole. Le retour au biodiesel initié et utilisé, il y a plus d'un siècle, par Rudolph Diesel (1858-1913), s'avère une des solutions possibles. Ces dernières années, la plupart des biodiesels industriels sont produits à partir de l'huile (triglycérides) extraite de matières premières végétales (colza, tournesol, soja, etc.). Afm de changer leurs propriétés physico-chimiques pour les rendre similaires à celles du pétro-diesel, les triglycérides sont transestérifiés en esters alkyliques d'acides gras, qui peuvent être utilisés dans un moteur classique, sans modification. Sur le plan écologique, en plus de la capacité des plantes oléagineuses à réduire les émissions polluantes de GES en piégeant et en consommant notamment le CO2, l'utilisation du biodiesel réduit les émissions nettes de polluants. Or, une forte demande des plantes oléagineuses comme matières premières pour produire du biodiesel pourrait augmenter le prix des huiles qui sont également nécessaires à l'alimentation humaine. D'autre part, l'utilisation de telles huiles engendre des coûts de production de biodiesel. Afm de surmonter ces problèmes sociaux, économiques et environnementaux, l'utilisation des huiles usées et des microalgues comme matières premières s'avère la solution la plus plausible. Concernant les huiles usées, le rejet de ces résidus graisseux dans le réseau d'assainissement est un risque pour l'environnement et pour les installations de traitement des eaux. Ces huiles gênent le bon fonctionnement des stations d'épuration lorsqu'elles sont rejetées dans le réseau d'assainissement, ce qui entraîne un surcoût. Le déversement de ces huiles provoque de nombreuses nuisances à savoir l'obturation des canalisations, la difficulté de traitement des graisses en station d'épuration, la production d'odeurs nauséabondes et de gaz toxiques, la corrosion des canalisations et le déséquilibre de la faune et de la flore aquatique, d'où l'intérêt de les valoriser en biodiesel. Quant aux microalgues, leur valorisation en biocarburant se développe depuis plusieurs années. Ce sont des microorganismes très anciens et il en existerait au moins 100 000 espèces, dont une cinquantaine seulement sont bien connues parmi les 40 000 déjà étudiées. Il reste donc encore un très grand potentiel à explorer. Ces microorganismes capturent, concentrent et fixent l'énergie de la lumière dans la biomasse. Les procédés de production des microalgues sont variés. Certains d'entre eux permettent d'absorber les émissions de CO2 atmosphérique de divers procédés comme celles issues des cimenteries. La grande capacité des microalgues à épurer les effluents industriels, municipaux ou agricoles, peut aussi être avantageusement exploitée. Les microalgues présentent un potentiel de productivité pouvant dépasser dix fois les meilleures cultures agricoles conventionnelles. La production industrielle de microalgues se présente donc, de plus en plus, comme une solution durable intéressante. Les modes et les procédés de production ont évolué au cours des années. Le mode autotrophe, le plus répandu, développé avec l'énergie salaire, permet de convertir le CO2 en microalgue polyvalente. Les procédés autotrophes les plus étudiés sont constitués de divers types de bassins et de photobioréacteurs (PBR). Par ailleurs, les procédés hétérotrophes utilisent des bioréacteurs fermés alimentés d'effluents riches en hydrates de carbone. Les procédés hétérotrophes, indépendants des conditions climatiques, représentent donc un potentiel d'exploitation intéressant pour les zones nordiques. Le procédé mixotrophe consiste à cultiver des microalgues dans l'obscurité avec un apport de lumière variable au cours du temps. Cette étude entre dans le cadre de la production de biodiesel par valorisation d'une part des huiles de friture usées provenant du restaurant de l'Université de Sherbrooke et des huiles extraites de la microalgue Tetraselims sp. d'autre part. [symboles non conformes]

L’océan domine la surface de notre planète et joue un rôle majeur dans la régulation de notre biosphère. Par exemple, les microorganismes photosynthétiques vivant dans l’océan produisent 50% de l’oxygène que nous respirons tous les ans, et une grande partie de notre alimentation et des ressources minérales en proviennent. En cette époque de crise écologique liée à l’accumulation anthropogénique de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, il est impératif de développer des énergies plus durables que les carburants fossiles. Le biodiesel pourrait être une source de carburant viable et durable pour remplacer le pétrodiesel mais jusque-là, nos efforts visant à produire des lipides à base de microalgues se sont essentiellement concentrés sur des algues vertes. Dans cette thèse je propose des méthodes pour mieux caractériser une autre catégorie de microalgue : les diatomées. Les diatomées sont une composante importante du phytoplancton et contribuent 40% de la production marine de biomasse primaire. Les diatomées accumulent des lipides en réponse à la carence en nutriments, et même si elles semblent accumuler tout autant de lipides que les microalgues vertes, les voies métaboliques menant à l’accumulation de lipides sont encore peu connues.Dans cette thèse je décris notre caractérisation du glycerolipidome de la diatomée modèle Phaeodactylum tricornutum ainsi que notre étude du remodelage de lipides suite à la carence d’azote ou de phosphate. Des accessions de P. tricornutum isolées dans différentes régions de l’océan ont aussi été étudiées afin de comparer leurs réponses au stress nutritif. Nous avons trouvé que la réponse métabolique menant à l’accumulation de lipides en carence d’azote ou de phosphate est différente. En effet, la carence en azote semble déclencher le recyclage des galactoglycerolipides chloroplastiques ainsi qu’une augmentation de la biosynthèse de novo d’acides gras, alors que la carence en phosphate est plus sévère car nous avons observé une accumulation plus significative de triacylglycerols ainsi que la déplétion totale des phospholipides. De plus, nous avons observé des réponses au stress différentes entre les accessions de P. tricornutum, et en particulier concernant leur capacité à accumuler des lipides. Nous proposons l’hypothèse que ces différences sont liées à leur aptitude à recycler du carbone issu de molécules de stockage non lipidiques.Des approches génomiques ont permis de nombreuses avancées pour mieux comprendre le métabolisme des lipides de microalgues mais notre compréhension des voies de biosynthèse de lipides chez les diatomées est encore limitée. Il y a eu diverses tentatives de caractérisation de la réponse au stress de carence par approche transcriptomique mais l’étude de ces données est incomplète du fait de l’annotation insuffisante des gènes encodant les voies métaboliques pertinentes. Ainsi, dans cette thèse je décris nos tentatives d’annotation de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides de P. tricornutum ainsi que les approches d’ingénierie génétique visant à mieux caractériser certains de ces gènes. J’ai également utilisé notre nouvelle annotation de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides pour effectuer une étude comparative de plusieurs transcriptomes de P. tricornutum en conditions de carence trouvés dans la littérature. J’ai ainsi pu produire une liste de gènes potentiellement impliqués dans l’accumulation de lipides. Enfin, nous avons pu utiliser ces données pour aider l’interprétation de données génomiques et transcriptomiques issues de la diatomée oléagineuse Fistulifera solaris afin de mieux comprendre comment elle accumule des quantités importantes de lipides pour des applications dans le secteur des biotechnologies et des bioénergies. / The ocean dominates the surface of our planet and plays a major role in regulating the biosphere. For example, the microscopic photosynthetic organisms living in the ocean provide 50% of the oxygen we breathe every year, and much of our food and mineral resources are extracted from the ocean. In a time of ecological crisis linked to the accumulation of anthropogenic greenhouse gases in the atmosphere, we must investigate more sustainable energies than fossil fuels. Much attention has been given to biodiesel but so far most efforts to efficiently produce triacylglycerols in microalgae have focused on green algae. In this thesis I propose approaches to better understand another type of microalgae that is significantly divergent from green lineages: diatoms. Diatoms are a major phylum of phytoplankton in the ocean and account for 40% of marine primary productivity. While diatoms appear to be at least as effective as green algae for producing lipids, the fatty acid and glycerolipid biosynthetic pathways leading to their production have not yet been well characterized. Therefore, I propose to better characterize these pathways in the model diatom Phaeodactylum tricornutum in order to help unlock the potential of diatoms for lipid-based biotechnological applications.In this thesis, I discuss our attempts to establish a reference for the glycerolipidome of P. tricornutum and of our assessment of the lipid remodeling and accumulation that occurs in response to nitrogen- and phosphorus-starvation. A range of accessions of P. tricornutum isolated from different parts of the ocean were also examined to compare their responses to nutrient deprivation. We found that the metabolic response leading to lipid accumulation in different nutrient-deprived conditions are distinct. Nitrogen-deprivation appears to trigger the recycling of chloroplastic galactoglycerolipids as well as a strong increase in de novo fatty acid synthesis while the response to phosphorus-deprivation was more severe as we observed a higher triacylglycerol pool and the complete depletion of phospholipids. Furthermore, we observed several differences among accessions of P. tricornutum regarding their ability to accumulate triacylglycerol in response to nutrient starvation and propose the hypothesis that these differences are linked to their ability to recycle intracellular carbon from non-lipid storage molecules.Genome-enabled approaches have also allowed significant steps towards elucidating the lipid metabolism of microalgae in the past decade, but our understanding of diatom metabolic pathways is still limited compared to that of other microalgae and higher plants. There have been several attempts to characterize the stress response in P. tricornutum by using transcriptomic approaches but this data is difficult to exploit to its full potential without a better annotation of genes encoding the relevant pathways. Therefore, in this thesis I discuss our attempts to annotate P. tricornutum lipid metabolism genes. Based on this annotation I have attempted to better characterize a selection of genes by genetic engineering and have pursued a comparative study of several published transcriptomes of P. tricornutum in nutrient deprived conditions to produce a list of candidate genes likely to be involved in triacylglycerol accumulation. Finally, we used this data to help interpret genome and transcriptome data of the newly sequenced oleaginous diatom Fistulifera solaris to help understand how it accumulates unusually high amounts of triacylglycerol for applications in the biotechnology and bioenergy industry.

Deux voies de transfert cyclique d’électrons ont été décrites chez l’algue verte C.reinhardtii, une implique (PGRL1 et PGR5), l’autre une NADP(H)-plastoquinone oxidoréductase (NDA2). Le TCE participerait à la génération d’ATP et donc à l’équilibration de la balance énergétique cellulaire. Pour mieux comprendre la contribution du TCE à la photosynthèse, différents mutants affectés du TCE ont été étudiés. Dans un premier temps, la photosynthèse et la croissance du mutant pgrl1 de C. reinhardtii déficient dans la voie de TCE PGRL1-dépendente ont été caractérisées. A l’état stationnaire, la productivité en biomasse du mutant est similaire à celle du sauvage, dans une large gamme d’intensités lumineuses et de concentrations en CO2. Basé sur les effets d’inhibiteurs de la respiration mitochondriale sur l’activité photosynthétique, il a été conclu que la coopération avec la respiration mitochondriale et de la photo-réduction d’O2 compensaient l’absence du TCE-PGRL1 dépendent. Cette compensation résulte en une productivité normale de biomasse chez le mutant à l’état stationnaire. Dans la deuxième partie de l’étude, une souche sur-exprimant la NDA2 chloroplastique a été étudiée. Une augmentation de l’activité de réduction non-photochimique des plastoquinones (PQ) en aérobiose et une vitesse de production d’H2 accrue par la voie indirecte en anaérobiose ont été notées. Il a été conclu que la production d’H2 par la voie indirecte est limitée par la capacité de réduction des PQ, soit du fait de la faible disponibilité des donneurs d’électrons, soit du fait d’une activité enzymatique de NDA2 limitée. Ceux-ci contribuerait à améliorer une production d’H2 durable. / Photosynthetic organisms have developed complex mechanisms to ensure an optimal match between the energy supplied and the metabolic demand. Among these mechanisms, cyclic electron flow around PSI (CEF) has been proposed to generate additional proton motive force and participate in the supply of extra ATP for photosynthesis. Two pathways of CEF have been described in the green alga C. reinhardtii, one involving PGRL1 (and PGR5), and the other a NAD(P)H-plastoquinone oxidoreductase (NDA2). In order to better understand the contribution of CEF to photosynthesis, different mutants affected in CEF components were studied. First, photosynthesis and growth performances of a knock-out C. reinhardtii mutant (pgrl1) deficient in PGRL1-mediated CEF have been characterized. Steady-state biomass productivity of the pgrl1 mutant was similar to its wild-type progenitor under a wide range of illumination and CO2 concentrations. From the effects of mitochondrial respiration inhibitors on photosynthesis, it was concluded that increased cooperation with mitochondrial respiration, and increased light-dependent O2 photo-reduction compensates for the absence of PGRL1-CEF. Second, a transplastomic strains over-expressing NDA2 was studied. An increased activity of non-photochemical reduction of plastoquinones (PQ) in aerobiosis and increased rate of H2 production by the indirect pathway in anaerobiosis were reported. It was concluded that activity of the indirect pathway of hydrogen production is limited by the non-photochemical reduction of PQ, either by the pool size of electron donors, or by the activity of NDA2. These data contribute to improvement for the sustainable production of hydrogen.

L’utilisation des microalgues dans les filières bioénergies est une thématique qui connait un développement remarquable ces dernières années. Si dans une perspective d’exploitation de masse, elles permettent de répondre plus favorablement aux contraintes qui pèsent sur l’exploitation des biocarburants de première et de deuxième génération, elles se heurtent également à la question de la demande en éléments nutritifs mais aussi à un bilan énergétique défavorable. En conséquence, il apparait difficile de répondre à une exigence de durabilité attendue pour ce nouveau gisement. Ce travail de thèse s’est intéressé à une solution permettant à la fois de recycler les éléments nutritifs présents dans la biomasse et de fournir de l’énergie au système de production voire de transformation : la digestion anaérobie. Les travaux se sont particulièrement focalisés sur l’intégration de la production de microalgues et de la méthanisation au travers de la conversion énergétique de cette biomasse et de la mobilisation des éléments nutritifs vers la culture à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote. Après avoir identifié les contraintes associées à la biodégradabilité anaérobie des microalgues et les stratégies d’optimisation, nous avons mis en évidence que le potentiel énergétique est contraint par la qualité propre des cellules et une capacité de résistance à la dégradation biologique. L’application de stratégies d’optimisation de cette étape de conversion via l’utilisation de prétraitement thermique a montré qu’il est possible d’augmenter les rendements de production d’énergie et d’éléments minéraux mobilisables vers la culture. L’utilisation d’un écosystème naturel microalgue-bactérie destiné à la production en milieu ouvert et qui utilise un digestat synthétique comme milieu de culture a révélé le rôle déterminant de la flore bactérienne associée en interaction avec les microalgues. Ces résultats ont été évalués dans un système de production à l’échelle pilote préindustrielle en conditions extérieures, conçu et opéré spécifiquement pour répondre à cette problématique. Les caractéristiques propres du bassin de culture déterminent le comportement hydrodynamique du milieu et le comportement physique et écologique de la population phytoplanctonique mobilisée. L’étude de la dynamique des communautés microbiennes, eucaryotes et procaryotes, confirme le potentiel de résilience et de production d’un écosystème complexe soumis aux contraintes de son environnement. Les résultats de ces travaux ouvrent des perspectives de gestion et d’optimisation des procédés intégrant l’algoculture et la méthanisation qui peuvent répondre plus largement à des problématiques environnementales et de production de molécules d’intérêt au-delà des filières énergétiques. / In recent years, there has been an explosion of interest in the use of microalgae as a source of bioenergy. Mass cultivation of microalgae for bioenergy production promises several advantages compared to first and second generation biofuels. However, similar difficulties in terms of nutrient requirements and an unfavourable energy balance are faced. As a consequence, achieving the sustainable levels of microalgal culture required to implement this strategy in the longer term appears problematic. The work presented in this thesis focuses on anaerobic digestion; a solution which allows both recycling of nutrients and supply of energy to the production and downstream processes. In particular, the studies presented here have been directed towards the integration of microalgal culture and methanisation, at both the laboratory and pilot scale. The guiding principle used is conversion of biomass and provision of nutrients to the culture. We first identified the constraints and potential strategies associated with the aerobic biodegradability of microalgae. Next, we demonstrated that the energetic potential of cells is limited by their quality as well as their level of resistance to biological degradation. We have shown that it is possible to optimise the conversion step, increasing energy yields and nutrient mineralisation via a strategy of thermal pretreatment The use of a natural microalgae-bacteria ecosystem which uses a synthetic digestate as culture media, revealed a key role for bacterial flora interacting with microalgae. These results were further tested in a pilot-level production system specifically designed to address these questions. The evidence suggests that the characteristics of the culture pond determine both the hydrodynamic behaviour of the culture and the physical and ecological behaviour of the phytoplanktonic population. A study of the dynamics of the microbial, eukaryotic and prokaryotic communities suggests the presence of a resilient and complex ecosystem, which is influenced by variations in its environment. The results of this work provide opportunities for management and optimisation of processes integrating microalgae cultivation and methanisation beyond bioenergy production, for example liquid wastes treatment and production of high-value byproducts.

Le monde fait face à une crise environnementale sans précédent, induite par l’action toujours plus marquée de l’homme sur son milieu. Depuis le début de l’ère industrielle, l’utilisation massive des énergies fossiles, a provoqué un dérèglement climatique planétaire. Les microalgues offrent la possibilité de produire des biocarburants avec une empreinte carbone réduite mais nécessitent encore de nombreuses améliorations pour être économiquement viables. Une de ces améliorations, à l’instar de l’agriculture moderne, réside dans la sélection de souches plus productives. Dans ce travail de thèse, nous avons développé la sélection par pression continue, consistant à utiliser les processus de l’évolution pour faire émerger des populations d’intérêt.Une première voie explorée a consisté à utiliser la température, paramètre crucial de la croissance des microalgues, comme moteur de sélection. En soumettant une culture à des variations diurnes de température durant une année, nous sommes parvenus à adapter une souche de Tisochrysis lutea à une gamme de températures plus large, la rendant donc plus tolérante aux variations de ce paramètre.La seconde voie a cherché à accroitre la capacité de Cylindrotheca closterium à emmagasiner ou au contraire à mobiliser son azote intracellulaire, propriété physiologiquement liée à sa capacité à produire des lipides. En forçant une population de microalgues à s'adapter à des apports discontinus d'azote (succession d'états de satiété et de carence), il a été possible de sélectionner les individus les plus riches en lipides.Enfin, nous avons modifié l'appareil pigmentaire de Tisochrisis lutea pour la rendre plus transparente à la lumière. En soumettant cette espèce à une succession de chocs lumineux, il a été possible de sélectionner les individus possédant les antennes photosynthétiques les plus petites, permettant une productivité accrue. / The world faces an unprecedented environmental crisis, led by the action always more marked with the man on its environment. From the beginning of the industrial era, the massive use of the fossil fuels, caused a global climatic disorder.

Les microalgues sont des organismes photosynthétiques considérés pour la production d'énergie. Les photobioréacteurs sont des systèmes fermés avec des productivités plus importantes que les bassins ouverts. Cette étude concerne l'expérimentation et la modélisation d'un réacteur du type " airlift à circulation interne". Des microparticules sont ajoutées pour modéliser les concentrations d'algues dans le réacteur. Les fractions du gaz et les vitesses du liquide ne sont pas affectées par la présence de microparticules. La distribution de la lumière dans le réacteur est calculée en considérant les concentrations de la biomasse et les propriétés optiques des algues. La lumière est atténuée de la paroi jusqu'au centre du réacteur et cette atténuation augmente avec la concentration de la biomasse. Les productivités de biomasse, estimées en utilisant deux modèles biologiques, montrent que celles obtenues dans les photobioréacteurs sont plus élevées que celles obtenues dans les bassins ouverts. La capacité du réacteur pour absorber du CO2 et produire de l'O2 est évaluée selon les productivités obtenues. A intensités lumineuses modérées, l'O2 dissout n'atteint pas le niveau d'intoxication, même pour de faibles débits d'air. Le CO2 et le CIT deviennent limitant si de l'air naturel est injecté dans le bioréacteur. Il est donc nécessaire d'injecter de l'air enrichi en CO2. L'hydrodynamique d'un réacteur airlift hélicoïdal est également présentée. Deux diamètres de tuyaux sont testés dans la section hélicoïdale. Une corrélation est proposée pour estimer le coefficient de frottement en fonction du Reynolds et le rapport entre le diamètre d'enroulement et le diamètre de tuyau. Pour réaliser la culture de microalgues à l'échelle industrielle, il est indispensable d'obtenir un bilan énergétique positif et de faibles émissions de GES. Pour cela, il faudra intégrer la culture dans des procédés de transformation tels que la production de biodiesel et la digestion anaérobique.

Chez tout organisme, l’évolution et l’acclimatation aux changements du milieu de vie sont orchestrés par de nombreux acteurs moléculaires. Parmi eux, les facteurs de transcription (FTs) jouent un rôle clé en régulant l’expression des gènes. Identifier les FTs impliqués dans la production de composés d’intérêt est donc une étape importante dans un contexte biotechnologique. Le laboratoire dispose d’une souche mutante de la microalgue haptophyte Tisochrysis lutea produisant deux fois plus de lipides de réserve que la souche sauvage en condition de privation azotée. Compte tenu du rôle clé des FTs dans l’établissement du phénotype, cette thèse vise à identifier les FTs impliqués dans la mise en place de ce phénotype mutant.Un pipeline bio-informatique d’identification et classification des FTs présents dans le génome de T. lutea a été élaboré. Le manque de donnée chez les haptophytes constituant un vide dans l’étude de l’histoire évolutive des microalgues, une étude comparative des FTs présents dans le génome d’algues de différentes lignées a été réalisée. Celle-ci révèle que l’étude des FTs aide à comprendre et illustrer l’histoire évolutive des microalgues par la mise en évidence de présences/absences de familles de FTs spécifiques de lignée.Afin de comprendre l’établissement du phénotype de la souche mutante de T. lutea, des données transcriptomiques ont permis la construction de réseaux de co-expression et de régulation des gènes chez les deux souches. Leur analyse croisée a identifié sept FTs candidats potentiellement liés au phénotype mutant. Une approche de p-RT-PCR a confirmé l’implication de deux FTs dans la remobilisation de l’'azote en condition de stress azoté. / In every organism, evolution and acclimation to environmental changes are orchestrated by numerous molecular players. Among them, transcription factors (TFs) play a crucial role by regulating gene expression. Therefore, identify TFs involved in the production of high value products is a significant step in a biotechnological context. The laboratory has at its disposal a mutant strain of the haptophyte microalga Tisochrysis lutea producing twice more storage lipids than the wild type strain when exposed to nitrogen deprivation. Given the key role of TFs in phenotype establishment, this PhD aim at identify the TFs involved in that of the mutant phenotype of T. lutea.A TFs identification and classification pipeline was elaborated and applied to T. lutea’s genome. Since the lack of data in haptophytes constitutes a limit in studies on microalgae evolutionary history, a comparative study of TFs identified in the genome of microalgae belonging to different lineages was carried out. This study reveals that TFs could be used to understand and illustrate microalgae evolutionary history through the highlight of lineage specific presence/absence of TF families.Aiming at understanding T. lutea’s mutant strain phenotype establishment, transcriptomic data were used to build gene co-expression networks and gene regulatory networks for both strains. Their comparative analysis identified seven TFs potentially liked to the mutant phenotype. A q-RT-PCR approach confirmed the involvement of two TFs in nitrogen recycling under nitrogen deprivation.

20 000 Européens meurent chaque année du mélanome et le taux de mortalité ne cesse de s’accroître. Les cellules de mélanome se caractérisent principalement par la mutation des kinases RAS, B-RAF et RHO-B. Ces mutations leur confèrent une résistance aux agents chimiothérapeutiques. Un grand nombre de travaux a établi que les pigments d’algues présentent un intérêt majeur pour prévenir, diagnostiquer et traiter les cancers. L’objectif de ce travail de thèse est de réaliser un travail de recherche intégré pour identifier des pigments de microalgues pouvant présenter un intérêt pour le diagnostic ou le traitement des mélanomes et de caractériser leur activité pharmacologique. Notre choix s’est porté sur Porphyridium purpureum, une espèce qui contient des phycobiliprotéines, des caroténoïdes dont la zéaxanthine. Nous avons développé des procédés innovants pour l’extraction et l’identification des pigments de microalgues. Ce travail a permis de réaliser la première extraction de phycobiliprotéines assistée sous champ microondes ainsi que l’identification des pigments de microalgue par UPLC-MSE au sein d’un mélange complexe. De plus, nous avons montré l’activité pro-apoptotique de la zéaxanthine et la caractérisation de son mode d’action sur les cellules de mélanome humain A2058. L’IC50 obtenue pour ce pigment est inférieure à celle du cisplatine (agent chimiothérapeutique). Ces résultats montrent le fort potentiel de ce pigment pour le traitement du mélanome résistant à la chimiothérapie. / 20 000 Europeans die from melanoma each year and this number is constantly increasing. Melanoma cells are mainly characterized by the mutation of the RAS, B-RAF and RHO-B kinases. Because of these mutations, the cells are resistant to chemotherapeutic agents. A lot of studies have established that the algae pigments are of major interest to prevent diagnose and treat cancers. The objective of this thesis is to undertake an integrated research work to identify microalgae pigments that may be relevant for the diagnosis or treatment of melanomas and to characterize their pharmacological activity. We selected Porphyridium purpureum, a species which contains phycobiliproteins, carotenoids including zeaxanthin. We developed innovative processes for the extraction and identification of microalgae pigments. This work resulted in the first extraction of phycobiliproteins under microwave-assisted irradiations, and the identification of microalgae pigments by UPLC-MSE within a complex mixture. Moreover, we demonstrated the proapoptotic activity of zeaxanthin and the characterization of its mode of action on A2058 human melanoma cells. The CI50 obtained for this pigment is lower than that of cisplatin (chemotherapeutic drug). These results show the great potential of this pigment for the treatment of melanoma which are resistant to chemotherapy.

Sécuriser un approvisionnement fiable de micro-algues est récemment devenu un enjeu industriel. Pour assurer la croissance de micro-algues dans des photobioréacteurs clos, un transfert de masse optimum de l'oxygène et du dioxyde de carbone doit être assuré. Dans cette thèse, une étude du transfert de masse gaz-liquide dans les conduites horizontales a été menée. Dans les trois premiers chapitres, un modèle unidimensionnel de transfert de masse dans le photobioréacteur a été développé. Tout d'abord, le transfert de masse entre une bulle de gaz allongée et un écoulement liquide turbulent a été 'étudié expérimentalement. En considérant l'interface comme étant plane, les coefficients de transfert de masse mesurés sont proches d'une corrélation de Lamourelle (1972). Le modèle de Taitel pour les écoulements stratifiés a été comparé à des modèles plus complets pour la prédiction de l'interface des bulles allongées. Une approche analytique basée sur un bilan de masse et utilisant les modèles testés a ensuite été développée et adaptée à un photobioréacteur afin de prédire l'efficacité de la conversion du CO2 en biomasse en fonction des paramètres d'exploitation. Les deux derniers chapitres visent à développer une simulation numérique du transfert de masse gaz-liquide. Une mesure de la concentration en CO2 dans le sillage d'une bulle de gaz ascendante a été effectuée à l'aide d'une méthode améliorée de traitement des données de Fluorescence Induite par Plan Laser (FIPL). Enfin, une simulation numérique a été réalisée sous COMSOL / Securing a reliable supply of microalgae has recently become an industrial stake. To ensure successful growing of microalgae in enclosed, tubular photobioreactor systems as in Microphyt, an optimum mass transfer of oxygen and carbon dioxide should be secured. In this thesis an investigation of the gas-liquid mass transfer in horizontal pipes has been conducted. In the first three chapters, a one dimensional mass transfer model in horizontal gas-liquid flows will be developed and applied to horizontal photobioreactors. Firstly, a study of mass transfer between an elongated gas bubble under a turbulent liquid flow immobilized in a duct has shown that under the hypothesis considering the interface as a flat plane estimated, the measured mass transfer coefficients appear to be well fitted by a correlation from Lamourelle (1972). The interface prediction for stratified flows have been compared to more complete unit-cell models for intermittent flow interface and found to be a good first estimate. The photobioreactor’s conversion efficiency of CO2 into biomass as a function of operating parameters is investigated using an analytical approach to complete the mass balance and classical two-phase flow approach from Taitel (1976). The last two chapters aim at developing a numerical simulation of gas-liquid mass transfer. A measurement of CO2 wake structures behind free rising bubbles have realized using an improved data treatment method for Planar laser-induced fluorescence (PLIF) and pH sensitivity of fluorescein sodium. Finally, an implementation of the experimental measurements under COMSOL has been realised