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Réalisé en codirection avec Karen C. Waldron et Dominic Rochefort. / L’objectif principal de ce projet de recherche est d’étudier l’efficacité de la microencapsulation, technique d’immobilisation d’enzymes utilisée pour la réalisation des nouveaux biocapteurs électrochimiques. Généralement, l’analyte d’intérêt produit ou consomme des électrons, et la réponse électrochimique est mesurée, afin d’identifier ou quantifier l’analyte. Dans le développement d’un biocapteur, il est désirable de quantifier la conversion du substrat (analyte) et/ou la formation de produit de réaction enzymatique. Les similarités structurales entre le substrat et le produit de réaction dans les réactions redox demandent que la technique utilisée pour les identifier soit très sélective. Le haut pouvoir de résolution de l’électrophorèse capillaire (EC) pour des séparations rapides de produits similaires en fait une méthode de choix, spécialement quand le substrat et le produit peuvent être suivis pendant et après la réaction catalysée par l’enzyme immobilisée. Un choix judicieux du substrat, compte tenu de son comportement en EC peut fournir des informations autant sur l’activité de l’enzyme que sur l’efficacité de la microencapsulation. Pour cette raison, nous avons choisi le substrat o-phenylènediamine qui est oxydé par la laccase, pour former le produit 2,3-diaminophenazine, tout en réduisant l’oxygène en eau. Pour commencer, nous avons préparé les microcapsules et évalué l’impact de la microencapsulation sur le comportement de l’enzyme. Ensuite, nous avons développé une méthode de séparation en EC afin de quantifier la conversion de l’OPD en DAP par la laccase libre. La même méthode d’analyse a été utilisée pour caractériser la laccase immobilisée dans les microcapsules. Par la suite, afin de suivre la réaction enzymatique, un microréacteur à base d’enzyme microencapsulée a été couplé hors ligne au système d’EC. Finalement, nous avons essayé l’implémentation du système en ligne et les résultats préliminaires seront présentés. / The principal objective of this research project is to study the efficiency of microencapsulation, technique used for enzyme immobilization in order to create new types of electrochemical biosensors. Generally, the target analyte involved either produces or consumes electrons and the electrochemical response is measured to identify or quantify the analyte. In the development of a biosensor, it is desirable to quantify the conversion of substrate (analyte) and/or the formation of product of the enzymatic reaction. The structural similarity between substrate and product in redox reactions means that the technique used to determine these species must be very selective. The high resolving power of capillary electrophoresis (CE) for rapidly separating similar compounds is thus an attractive method, particularly if substrate and product can both be monitored during or following the reaction catalyzed by microencapsulated enzyme. A judicious choice of substrate with respect to its behaviour in CE separations can help provide information on enzyme activity as well as microencapsulation efficiency. To achieve this, we chose the substrate o-phenylenediamine (OPD), which is oxidized by laccase to form the product 2,3-diaminophenazine (DAP) concomitant with the reduction of molecular oxygen to water. We firstly prepared the microcapsules and evaluate the impact of microencapsulation on the behaviour of the enzyme. After that, we developed a CE based separation method to quantify the conversion of OPD to DAP by free laccase. We also used the CE method to characterize laccase immobilized in microcapsules. Subsequent, the microencapsulated laccase was packed into a microreactor format permitting its off-line coupling with CE as a means to follow the enzymatic reaction. Finally, we tried to implement the on-line system and the preliminaries results are presented.

L'usage des pesticides au sein de l'Union européenne est de plus en plus réglementé, et les rodonticides actuellement disponibles sur le marché sont responsables de nombreuses intoxications secondaires chez les prédateurs des rongeurs. Il est donc crucial aujourd'hui de trouver une alternative plus écologique aux molécules commerciales. Les travaux de recherches décrits dans cette thèse s'inscrivent dans ce contexte et présentent la mise au point de nouvelles voies d'accès à des structures coumariniques et leurs études biologiques. La molécule anticoagulante ciblée se devait d'être active sur rats sensibles et résistants, et d'avoir une rémanence faible dans l'organisme. Les synthèses chimiques ont été menées conjointement avec les tests biologiques, conduisant l'ensemble des études de façon convergente vers la production d'un lead. Trois nouveaux outils moléculaires ont été mis au point et ont permis la synthèse et l'évaluation d'un grand nombre de candidats. Les deux premières en catalyse homogène, sous micro-onde, ont permis de réduire le temps réactionnel nécessaire à la synthèse de 4-hydroxycoumarine substituée sur le carbone 3. La troisième méthodologie conduit par une approche séquentielle aux mêmes types de composés à l'échelle du gramme. Cette dernière ouvre également la porte à de nombreuses possibilités réactionnelles permettant d'envisager plus de diversité. Toutes les molécules ont été évaluées in vitro, sur différentes souches d'enzymes VKORC1 et ont offert une meilleure compréhension des interactions enzyme/inhibiteur. Après cette première évaluation, des tests in vivo ont été conduits sur une sélection de composés, et ont apporté des informations cruciales sur les relations structure/activité in vivo et structure/rémanence. Le meilleur composé synthétisé à ce jour semble répondre parfaitement aux différentes contraintes liées au cahier des charges établi initialement qui se basait sur une approche singlefeeding. Une stratégie multifeeding est aujourd'hui envisagée afin de mieux correspondre à la réalité du terrain. Sur la base de celle-ci, le nombre de composés décrit dans ce manuscrit potentiellement utilisable en tant que rodonticide se retrouve largement augmenté / To reduce the ecological impact of pesticides in UE many new legislations were put in place, in other hand, most of secondary intoxications of rodent's predators are due to rodenticides available on the market. That why it’s crucial to find alternative rodenticide more eco-friendly. This work describes optimization of new coumarinics compounds synthesis and their biological studies. The new anticoagulant should be active on wild and mutant rat, and must have a low hepatic persistence in the rat body. Organic syntheses were driven with biological studies and have converged to discover the lead. Three different new molecular tools were optimized and have allowed the synthesis and the evaluation of a large number of candidates. The first two through homogeneous catalysis by using micro-waves have reduced the time needed for the alkylation of 4-hydroxycoumarin on the carbon 3. The third methodology allows the synthesis of same kind of compounds in large scale. This methodology opens news potentials reactions to add structural diversity. All the molecules were evaluated in vitro on different types of VKORC1 and have participated to a better understanding of the enzyme/inhibitor interactions. After this first evaluation, in vivo tests were performed on a selection of candidates, and have brought a crucial structural relationship between structure and in vivo persistence/activity. The best compound produced by now seems to answer at all specifications established linked to the single-feeding strategy. Multiple-feeding strategy is today planned to better correspond to the field reality. On the base of this one the number of candidates usable as rodenticides is increased

A ce jour, les anticoagulants commerciaux souffrent de deux inconvénients majeurs : leur rémanence avec, pour certains d’entre eux, une demi-vie hépatique proche des 300 jours causant des intoxications secondaires sur les prédateurs des rongeurs, ainsi que le développement de nombreuses mutations génétiques causé par l’utilisation intensive de ces composés, rendant inopérant l’utilisation de certains AVKs commerciaux. Face à ce constat, l’Union Européenne envisage d’interdire l’utilisation de tels composés. La mission prioritaire est donc de trouver un anticoagulant capable de gérer les populations de rongeurs sans affecter leurs prédateurs. Les recherches mises en avant par Adrien Montagut (Thèse 2011-2014) ont permis d’aboutir à une structure type d’anticoagulants, dérivés de la 4-hydroxycoumarine. Actuellement, AMR361 a été testé in vitro sur l’ensemble des mutations de VKORC1 et in vivo sur rats sauvages, et constitue le premier AVK développé qui répond à l’ensemble des caractéristiques du cahier des charges initial. La première partie de mon projet de thèse consistait à compléter l’étude biologique sur le noyau 4-hydroxycoumarine en amenant de la diversité fonctionnelle sur la position para du noyau aromatique. D’un point de vue biologique, l’allongement du bras espaceur sur la chaîne latérale par l’utilisation de fonctions telles que les amides ou amides inversés ou l’introduction d’un groupement diméthyle sur le pont méthylène ont été étudiés afin d’analyser les paramètres d’efficacité et de rémanence. Cependant, la plupart des composés synthétisés appartenant à la famille des 4-hydroxycoumarines font déjà l’objet d’un brevet déposé par l’entreprise Liphatech en 1999. L’étude de nouveaux noyaux, dont certains sont analogues à la 4-hydroxycoumarine, de même que la fonctionnalisation du noyau 4-hydroxycoumarine sur la partie aromatique, a permis l’accès à des structures plus diverses. Ces perspectives originales pour l’innovation ont été introduites pour contourner les brevets déjà existants. / To date, commercial anticoagulants suffer from two major inconveniences: their persistence causing secondary poisoning of rodent predators and the development of many genetic mutations caused by the intensive use of these compounds. As a result, the European Union plans to prohibit the use of such compounds. Consequently, the priority task is to find an anticoagulant that can control the rodent populations without affecting their predators. The research of Dr. Adrien Montagut (PhD, 2011-2014) have led to the structure type of an anticoagulant derived from 4-hydroxycoumarin. Currently, AMR361 was tested in vitro on all VKORC1 mutations and in vivo on wild rats. It is the first AVK developed that responds to all the characteristics of the initial specification. The first part of my PhD was to complete the biological study on 4-hydroxycoumarin core by bringing functional diversity on the para position of the aromatic ring. From a biological point of view, the lengthening of the spacer arm on the side chain by use of various functions or the introduction of a dimethyl group on the methylene bridge were studied in order to analyze the effectiveness and persistence parameters. However, most of the synthesized compounds belonging to the family of 4-hydroxycoumarins are already described in a patent filed by Liphatech company in 1999. The study of new cores which are similar to the 4-hydroxycoumarin or the functionalization of the aromatic part of the 4-hydroxycoumarin has provided access to more diverse structures. These original possibilities for innovation have been introduced to circumvent existing patents.

L’objectif principal de ce projet de recherche est d’étudier l’efficacité de la microencapsulation, technique d’immobilisation d’enzymes utilisée pour la réalisation des nouveaux biocapteurs électrochimiques. Généralement, l’analyte d’intérêt produit ou consomme des électrons, et la réponse électrochimique est mesurée, afin d’identifier ou quantifier l’analyte. Dans le développement d’un biocapteur, il est désirable de quantifier la conversion du substrat (analyte) et/ou la formation de produit de réaction enzymatique. Les similarités structurales entre le substrat et le produit de réaction dans les réactions redox demandent que la technique utilisée pour les identifier soit très sélective. Le haut pouvoir de résolution de l’électrophorèse capillaire (EC) pour des séparations rapides de produits similaires en fait une méthode de choix, spécialement quand le substrat et le produit peuvent être suivis pendant et après la réaction catalysée par l’enzyme immobilisée. Un choix judicieux du substrat, compte tenu de son comportement en EC peut fournir des informations autant sur l’activité de l’enzyme que sur l’efficacité de la microencapsulation. Pour cette raison, nous avons choisi le substrat o-phenylènediamine qui est oxydé par la laccase, pour former le produit 2,3-diaminophenazine, tout en réduisant l’oxygène en eau. Pour commencer, nous avons préparé les microcapsules et évalué l’impact de la microencapsulation sur le comportement de l’enzyme. Ensuite, nous avons développé une méthode de séparation en EC afin de quantifier la conversion de l’OPD en DAP par la laccase libre. La même méthode d’analyse a été utilisée pour caractériser la laccase immobilisée dans les microcapsules. Par la suite, afin de suivre la réaction enzymatique, un microréacteur à base d’enzyme microencapsulée a été couplé hors ligne au système d’EC. Finalement, nous avons essayé l’implémentation du système en ligne et les résultats préliminaires seront présentés. / The principal objective of this research project is to study the efficiency of microencapsulation, technique used for enzyme immobilization in order to create new types of electrochemical biosensors. Generally, the target analyte involved either produces or consumes electrons and the electrochemical response is measured to identify or quantify the analyte. In the development of a biosensor, it is desirable to quantify the conversion of substrate (analyte) and/or the formation of product of the enzymatic reaction. The structural similarity between substrate and product in redox reactions means that the technique used to determine these species must be very selective. The high resolving power of capillary electrophoresis (CE) for rapidly separating similar compounds is thus an attractive method, particularly if substrate and product can both be monitored during or following the reaction catalyzed by microencapsulated enzyme. A judicious choice of substrate with respect to its behaviour in CE separations can help provide information on enzyme activity as well as microencapsulation efficiency. To achieve this, we chose the substrate o-phenylenediamine (OPD), which is oxidized by laccase to form the product 2,3-diaminophenazine (DAP) concomitant with the reduction of molecular oxygen to water. We firstly prepared the microcapsules and evaluate the impact of microencapsulation on the behaviour of the enzyme. After that, we developed a CE based separation method to quantify the conversion of OPD to DAP by free laccase. We also used the CE method to characterize laccase immobilized in microcapsules. Subsequent, the microencapsulated laccase was packed into a microreactor format permitting its off-line coupling with CE as a means to follow the enzymatic reaction. Finally, we tried to implement the on-line system and the preliminaries results are presented. / Réalisé en codirection avec Karen C. Waldron et Dominic Rochefort.

In this work are presented results of the experimental study of state selected reactions of H+ and N+(3PJa) ions with molecular hydrogen H2(J = 0, 1) at temperatures in the range 10 - 100 K using 22-pole rf ion trap apparatus. These reactions are important for the formation of interstellar trihydrogen cations and ammonia. To determine the temperature of ions, calibration measurements of the Doppler broadening of spectral lines using N2+ + Ar  Ar+ + N2 laser induced reaction and rate of the ternary association He+ + 2He  He2+ + He were performed. Both ternary and radiative channels of the H+ + H2(J) association reaction were observed at hydrogen number densities in the range 1012 - 1014 cm-3 and 1011 - 1012 cm-3 respectively. Obtained temperature dependences at 11 - 33 K demonstrate substantial role of the H2 rotational energy, results cannot be explained with the existed theories of the stabilization of collisional complexes. Measurements of the rate coefficient of N+(3PJa) + H2(J) reaction at different ortho fractions of H2 show dependence on internal energy of both reactants. State specific rate coefficients of the reaction of nitrogen and hydrogen ions were derived. The adiabatic model and collisional relaxations of N+(3PJa) fine structure levels were considered. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

A molécula de ácido orto-aminobenzóico tem sido intensamente empregada como sonda fluorescente no estudo de peptídeos e membranas e o entendimento dos efeitos de solvente sobre suas propriedades espectroscópicas apresenta grande interesse científico. Neste trabalho realizamos um estudo experimental e cálculos DFT sobre alterações nos espectros de absorção e emissão da sonda em solução aquosa, em função do pH do meio. Examinamos também o seu derivado 2-amino-N-metil benzamida (o-Abz-NHCH3) e as mudanças espectrais na interação com micelas de SDS. Resultados de experimentos de titulação mostraram-se coerentes com a existência de três estados de protonação para o-Abz à medida em que o pH torna-se ácido, resultantes da protonação dos grupos amino e carboxila, de modo semelhante ao que ocorre com aminoácidos. Para cada estado de protonação, realizamos cálculos de otimização de geometria e verificação de mínima energia com a teoria DFT utilizando diferentes funcionais e conjuntos de bases para orbitais atômicos. Partindo das geometrias de menor energia, com a teoria TD-DFT (B3LYP/311++G(d,p)) fizemos cálculos das transições eletrônicas. A melhor concordância com os resultados experimentais foi obtida com a molécula na forma aniônica. Na comparação dos resultados da posição espectral da transição de mais baixa energia, no processo de absorção ótica, observamos uma diferença relativa de 0,6%. Para a fluorescência otimizamos e verificamos a geometria do estado excitado e obtivemos as energias de transição vertical com o método TD-DFT (B3LYP/Def2-TZVP) com o qual tivemos um resultado de lambda = 407nm considerado satisfatório quando comparado com o valor experimental lambda= 394nm. Nas formas neutra e catiônica, as diferenças relativas entre os cálculos e os experimentos foram maiores, chegando a 11% na posição da banda de fluorescência da molécula neutra. Usando simulações de Dinâmica Molecular conseguimos estimar quantas moléculas de água se distribuem em torno do o-Abz. Os resultados mostram que, embora exista um número parecido de moléculas de água solvatando a molécula nas formas aniônica e catiônica, há uma redução na quantidade de ligações de hidrogênio realizadas pela protonação catiônica em relação à aniônica. O modelo utilizado para simular o o-Abz-NH(CH3) em micelas de SDS apresentou resultados satisfatórios com erro relativo entre 0,7\\% e 0,9%, no entanto são necessárias outras abordagens computacionais e experimentais para indicar em qual região a molécula se encontra na micela, dando assim mais confiabilidade e uma melhor interpretação aos resultados. / The ortho-aminobenzoic acid is a molecule largely employed as a fluorescent probe in peptide and membrane studies. The solvent dependence of its spectroscopic properties deserves great interest and we describe here results of experimental measurements and computational calculations by \\textit and Molecular Dynamics methods about spectroscopic and solvation properties of the molecule in aqueous medium at different pH values. We also examined the derivative 2-amino-N-methyl-benzamide (o-Abz-NHCH3), investigating the spectral modifications in its interaction with SDS micelles. The results of titration experiments could be interpreted as originated from three protonation states for o-Abz: in neutral pH and above, both carboxy and amine groups are deprotonated, and the molecule is in the anionic form. Decreasing the pH, protonation of amino group or carboxy renders the molecule neutral (pK = 5.0) and at low pH both groups are protonated and the molecule is in the cationic form (pK = 2.3). Geometry optimization and determination of energy minima were performed with the molecule in each protonation state using Density Functional Theory (DFT) with different functionals and basis set for atomic orbitals. Eletronic transitions were calculated from lowest energy geometry using TD-DFT (B3LYP/311++G(d,p)). The best agreement with experimental results were obtained for the anionic molecule: we observed a relative difference of 0.6\\% for the lowest energy optical transition. From the optimized geometry of the excited state the vertical transition was calculated with TD-DFT (B3LYP/Def2-TZVP), and the emission was predicted to occur at 407nm, a reasonable result compared with the experimental value or 394nm. For the molecule in neutral or cationic state, the relative differences between experimental and calculation results were greater, amounting to 11\\% for the fluorescence band in the neutral species. From Molecular Dynamics simulation we estimated the number of water molecules distributed aroud the o-Abz molecule. The results show that, although there is similar number of water molecules solvating the o-Abz in anionic and cationic state, there is a decrease in the amount of hydrogen bond in the cationic molecule. The simulation of the derivative o-Abz-NHCH3 in SDS micelles by implicit solvent methods gave results comparable to the experimental ones, with relative deviations lower than 1\\%. It should be noted that further study should be carried out in order to have a better knowledge about the location of the probe in the micelle, and to afford a beter interpretation of the results.