Polyphosphates (polyP) are long chains of phosphates residues linked via high-energy phosphoanhydride bonds. PolyP’s regulation and its functions have been studied in bacteria and in yeast, but the synthesis and degradation pathways of polyP in mammals are still unknown. This makes it challenging to study polyP biology in mammalian cells. In this thesis, the E. coli gene Polyphosphate kinase 1 (PPK1), which encodes for an enzyme that synthesizes polyP, was used as a tool to study polyP biology in both yeast and mammalian cells. Using yeast as a model organism, expression of EcPPK1 led to a decrease in alpha-synuclein toxicity. Additional evidence shows the usefulness of using yeast as a model organism to study polyP’s protective effect on alpha-synuclein toxicity. In mammalian cells, transfection of EcPPK1 allowed for the modulation of polyP concentration in the cell. This led to the identification of six human proteins that are able to be polyphosphorylated. Preliminary data from RNA sequencing also shows that polyP in HEK293T cells regulates gene expression. Overall, this work demonstrated that EcPPK1 is a useful tool to study polyP biology in yeast and mammals.

Cette étude porte sur l'ignifugation d'élastomères thermoplastiques constitués de polyoléfines (TPO). Les TPO objets de cette étude sont des mélanges à partir de polypropylène (PP), de Copolymère d'éthylène et de propylène (EPDM) et de copolymère hydrogéné de styrène et de butadiène (HSBR). Les Propriétés élastiques des TPO à base de mélanges PP/HSBR sont proches de l'hyperélasticité lorsque le taux d'HSBR est important (entre 75 et 100% en masse des polymères) et sont supérieures à celles des mélanges PP/EPDM. Ces meilleures propriétés sont dues en particulier à une miscibilité plus importante de l'HSBR avec le PP par rapport à l'EPDM. L'ajout d'additif à base de polyphosphate d'ammonium (APP) pour ignifuger en masse ces TPO permet d'obtenir des formulations intumescentes. En ce qui concerne les propriétés mécaniques, la présence de l'additif modifie principalement l'élongation à la rupture des TPO. Les propriétés feu diffèrent selon la configuration utilisée lors du test (horizontale ou verticale). Cette différence est due aux propriétés rhéologiques des mélanges en condition de feu : en configuration horizontale, les phénomènes de viscosité sont moins déterminants. En configuration horizontale, les formulations à base d'HSBR sont plus efficaces que celles à base d'EPDM. Ces différences sont expliquées par une structure intumescente plus stable dans le cas du PP et de l'HSBR, que celle formée pour l'EPDM : durant le phénomène d'intumescence, l'EPDM ne réagit pas avec l'additif, contrairement au PP et l'HSBR. C'est la conséquence d'une viscosité plus importante de l'EPDM par rapport à celle du PP et de l'HSBR lors de la formation de la structure intumescente. / The aim of this study is to fireproof thermoplastic elastomers based on polyolefins (TPa). The studied TPa are blends of polypropylene (PP), ethylene propylene copolymers (EPDM) and hydrogenated styrene butadiene rubber (HSBR). The elastic properties of TPa based on PP/HSBR blends are closed to hyperelasticity when the level of HSBR is high (between 75 and 100% in mass of the polymers) and these properties are higher than those observed for PP/EPDM blends. These properties can be explained in particular by the higher miscibility of HSBR with PP, when compared with EPDM. The incorporation of additive based on ammonium polyphosphate (APP) to fireproof the TPa blends leads to intumescent formulations. Concerning the elastic behaviour, this incorporation mostly modifies the elongation at break of the TPa blends. Depending on the configuration of the sample during the test (horizontal or vertical test), the obtained fire properties are different. This difference is linked to the viscosity of the formulation in fire conditions: if the sample is in horizontal configuration during the test, the viscosity is less important than when the sample is vertical. When the sam pie is horizontal, HSBR-based intumescent formulations have a better fire behaviour than EPDM-based ones. These differences are explained by the fact that the intumescent structure is more stable in the case of PP and HSBR than in the case of EPDM: wh en the intumescent structure is formed, EPDM does not react with the additive, whereas PP and HSBR do react. This is the consequence of the higher viscosity of EPDM during the intumescence phenomena, compared to PP and HSBR

Ce mémoire porte sur l’étude de l’ignifugation d’une résine époxyde grâce à l’utilisation de nanoparticules. L’incorporation de Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes (POSS) ou de nanotubes de carbone seuls dans la matrice apporte une amélioration très limitée des propriétés feu. La fonctionnalisation covalente de nanotubes de carbone par des fonctions retardatrices de flamme a été réalisée et caractérisée, mais elle n’augmente pas les performances feu de la matrice chargée en nanotubes de carbone. La combinaison entre un retardateur de flamme phosphoré (APP) et les nanotubes de carbone révèle l’existence d’un effet antagoniste entre ces deux charges. Au contraire, l’utilisation de POSS en combinaison avec l’APP apporte une synergie. L’étude de la dégradation thermique de ces systèmes montre que les interactions entre ces constituants modifient la viscosité de la matrice dégradée. La capture des gaz de dégradation est améliorée dans le cas APP/POSS, ce qui résulte en la création d’une couche protectrice plus tôt qu’avec le système de référence contenant l’APP seul. De plus, la présence de POSS rend possible la création de silicophosphates renforçant le résidu. Au contraire, le résidu du système à base de nanotubes de carbone est très rigide et se fissure durant la combustion, ce qui empêche la bonne formation de la couche protectrice. / This thesis aims at flame-retarding an epoxy resin through the use of nanoparticles. Incorporation of Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane (POSS) or carbon nanotubes alone in the matrix provides little enhancement of the reaction to fire. The covalent functionalization of carbon nanotubes by grafting fire-retardant moieties has been carried out and characterized, but it does not enhance the reaction to fire of the epoxy matrix filled with carbon nanotubes. The combination between a phosphorus-based flame-retardant (APP) and carbon nanotubes reveals an antagonistic effect between these two fillers. On the contrary, using POSS in combination with APP provides a synergy. The study of the thermal degradation of these systems shows that the interactions between these fillers modify the viscosity of the degraded matrix. The trapping of degradation gases is enhanced in the case of APP/POSS, which results in the creation of a protective layer earlier than with the reference system containing APP alone. Furthermore, the presence of POSS permits the creation of silicophosphates which reinforce the residue. On the contrary, the residue of the formulation containing carbon nanotubes is excessively stiff and it cracks during combustion, hindering the proper formation of the protective layer.

To ensure a continuous supply of phosphate, living organisms have devised complex mechanisms to regulate the uptake and subsequent utilization of this essential nutrient. An important aspect of phosphate metabolism is the storage of excess phosphate as the polymer, polyphosphate. Despite the importance of this polymer to all living organisms, much needs to be learned about its synthesis, storage, or utilization. Furthermore, little is known about the regulatory mechanisms that determine when polyphosphate synthesis or degradation is appropriate. Our work has shown that polyphosphate is a dynamic molecule whose levels fluctuate during the cell cycle. Polyphosphate levels are high in G1, and subsequently drop as the cell uses free phosphate during cell division. Mitotic induction of phosphate regulatory genes, including the acid phosphatase gene PHO5, replenishes polyphosphate levels late in the mitosis. Furthermore, we have shown that Mcm1 and Fkh1, two cell cycle dependent transcriptional activators, contribute to mitotic activation of PHO5. In addition, we have elucidated the importance of regulating polyphosphate synthesis. Strains lacking the cyclin Pho80 have increased expression of the polyphosphate synthase genes, PHM1-4, and thus have highly elevated polyphosphate levels. Hyperaccumulation of polyphosphate results in severe growth defects on medium containing high levels of sorbitol, presumably through the polyphosphate-dependent overacidification of the vacuole.

To ensure a continuous supply of phosphate, living organisms have devised complex mechanisms to regulate the uptake and subsequent utilization of this essential nutrient. An important aspect of phosphate metabolism is the storage of excess phosphate as the polymer, polyphosphate. Despite the importance of this polymer to all living organisms, much needs to be learned about its synthesis, storage, or utilization. Furthermore, little is known about the regulatory mechanisms that determine when polyphosphate synthesis or degradation is appropriate. Our work has shown that polyphosphate is a dynamic molecule whose levels fluctuate during the cell cycle. Polyphosphate levels are high in G1, and subsequently drop as the cell uses free phosphate during cell division. Mitotic induction of phosphate regulatory genes, including the acid phosphatase gene PHO5, replenishes polyphosphate levels late in the mitosis. Furthermore, we have shown that Mcm1 and Fkh1, two cell cycle dependent transcriptional activators, contribute to mitotic activation of PHO5. In addition, we have elucidated the importance of regulating polyphosphate synthesis. Strains lacking the cyclin Pho80 have increased expression of the polyphosphate synthase genes, PHM1-4, and thus have highly elevated polyphosphate levels. Hyperaccumulation of polyphosphate results in severe growth defects on medium containing high levels of sorbitol, presumably through the polyphosphate-dependent overacidification of the vacuole.

Würzburg, Univ., Diss., 2010. / Zsfassung in dt. Sprache.

Un des objectifs de ces travaux a été d’évaluer l’effet du recyclage et de polluants (huile moteur (HM) et éthylène glycol (EG)) sur les propriétés d’usage de polypropylènes chocs issus de véhicules usagés. Le recyclage (ici limité à six cycles d’extrusion) n’entraîne pas de modification significative des propriétés mécaniques. L’étude de la cinétique de cristallisation des polymères pollués a montré que l’EG retarde la cristallisation du copolymère. La cinétique de dégradation a permis de simuler et de quantifier les différentes étapes de dégradation des matériaux. Le comportement au feu des polymères est par ailleurs amélioré de manière significative après recyclage et en présence des polluants, particulièrement dans le cas de la pollution à l’HM. Le deuxième axe de l’étude a été consacré à l’ignifugation des matériaux par des systèmes intumescents (formulation à base de polyphosphate d’ammonium (APP) avec et sans agent de synergie (borate de zinc (ZB))). Dans tous les cas les matériaux recyclés et pollués présentent des performances satisfaisantes. Nous avons montré que l’efficacité du char intumescent est gouvernée par sa vitesse de formation et par sa conductivité thermique qui sont influencées positivement par la pollution (avec APP/ZB) et le recyclage (avec APP) (augmentation de la vitesse et diminution de la conductivité thermique). La caractérisation chimique des structures qui se développent dans des conditions de combustion montre la formation d’une structure phosphocarbonée contenant des polyaromatiques, des pyrophosphates et de l’acide phosphorique ainsi que, dans le cas du ZB, des borophosphates (sa formation permet de renforcer la structure intumescente). / The impact of recycling and pollutants (engine oil (EO) and ethylene glycol (EG)) on the intrinsic properties of polypropylene-based materials coming from end-of-life cars was investigated. Recycling (limited here to six extrusion cycles) is not detrimental to the mechanical properties of the polymeric matrices. The crystallization kinetics study realized on the polluted polymers showed that the presence of EG delays crystallization. The degradation kinetics allowed to simulate and quantify the different degradation steps of the materials. Pollutants and recycling also lead to an improvement of the reaction to fire of our copolymer, especially in the case of EO-containing samples. The second part of the work was devoted to the study of the flame retardant properties of our materials provided by ammonium polyphosphate (APP) with or without zinc borate (ZB) (synergistic agent)). In all cases recycled and polluted materials show satisfying performances. It was found that the efficiency of the protective barrier provided by the char is governed by the rapidity of its formation and its thermal conductivity which are positively influenced by EO (with APP/ZB) and recycling (with APP) (increase of the formation rate and decrease of the conductivity). Chemical characterization of the structures formed in a fire scenario reveals the formation of a phosphocarboneous structure containing polyaromatics, pyrophosphates and phosphoric acid and when zinc borate is used, borophosphates which can reinforce the intumescent structure.

Notre étude traite des procédés d'amélioration des propriétés thermomécaniques et retard au feu (FR) de matériaux polypropylène (PP) utilisés dans la conception de boîtiers électriques. Le premier chapitre concerne l'amélioration des propriétés thermomécaniques via la formulation d'alliages de polymères. Le polycarbonate de bisphénol A (PC) est utilisé comme polymère modifiant dans la matrice PP. Pour améliorer la compatiblité du mélange PPIPC, deux agents compatibilisant sont testés mais les propriétés obtenues sont insuffisantes. L'amélioration de ces propriétés est obtenue par l'utilisation de renforts minéraux. Le second chapitre est consacré aux procédés d'ignifugation des matériaux PP renforcé par des charges minérales (mica, talc ou carbonate de calcium). Deux types d'additifs FR sont testés: un additif phosphoré (AFP: polyphosphate d'ammonium) entrant dans la composition de systèmes intumescents, et une série d'additifs bromés. Dans le cas des composites contenant du carbonate de calcium, des interactions entre l'APP et le renfort minéral sont mises en évidence et limitent le processus de développement de la structure thermiquement isolante (char). Les propriétés FR résultantes sont faibles alors que les matériaux composites contenant des dérivés bromés atteignent les performances recherchées. Néanmoins, ces dérivés bromés présentent des problèmes environnementaux. Par conséquent, le dernier chapitre traite des procédés d'ignifugation en surface des matériaux PP composites. Avant application d'une peinture protectrice, les matériaux sont traités par des plasmas de décharge radiofréquence générés à basse pression (O2, Ar, purs ou en mélange). Au travers d'une analyse globale de la topographie, de l'évolution de la composition chimique de surface et de la mouillabilité, nous proposons des mécanismes de réarrangements se produisant à la surface de la matrice PP. Nous montrons que ces mécanismes conditionnent les propriétés d'adhérence des matériaux traités et diffèrent pour chaque matériau en fonction de leur composition et de la nature des renforts. / Our study deals with the processes used in order to improve the thermomechanical and fire retardant (FR) properties of polypropylene (PP) materials used in electrical equipments. The fIfst chapter concerns the improvement of the thermomechanical properties trough the development of polymer alloys. Bisphenol A polycarbonate (PC) is used as modifying polymer in the PP matrix. To improve the compatibilization of the polymer blends, two compatibilizing agents (AC) have been evaluated but the obtained properties are not sufficient and thus improvement of the properties was thus achieved using inorganic fillers. The second chapter is about the processes for imparting flame retardancy to PP materials reinforced by mineraI fillers (mica, talc or calcium carbonate). Two types of FR additives are tested: a phosphorous compound (APP: ammonium polyphosphate) used in intumescent systems and various brominated compounds. ln the case of the composite materials containing calcium carbonate, interactions between APP and fillers are evidenced and restrict the development of the protective thermally insulating structure (char) resulting in low FR properties whereas formulations with brominated compound present acceptable properties. However Br compounds present sorne environmental concerns. As a consequence, the last chapter deals with the processes that allow imparting flame retardancy to the PP composites surface. Before applying a FR protective paint, the materials are treated by low pressure radiofrequency cold plasma (O2, Ar, pure or mixture of them). By means of a global analysis of the topography, the surface chemical composition evolution and wettability, we propose sorne rearrangement mechanisms occurring at the PP matrix surface. We demonstrate that these mechanisms influence the adhesive properties of the treated materials and differ for each material as a function of the composition and nature of the fillers.

Cette étude propose un procédé d’ignifugation par traitement en masse du PLA basé sur l’incorporation d’un retardateur de flamme phosphoré (APP) et de composés issus des ressources renouvelables agissant comme source de carbone dans le système intumescent. L’évaluation des propriétés RF des différents matériaux selon divers tests normalisés a permis de mettre en évidence que la formulation PLA/APP/amidon présentait les meilleures performances en termes de tenue au feu. Il se développe en surface du matériau une structure intumescente qui protège l’échantillon de l’action d’une flamme ou d’une source de chaleur et permet de limiter les transferts de gaz et de matière. Afin de tenter d’expliquer le comportement au feu de la formulation optimale, les caractéristiques physiques telles que la viscosité et la conductivité thermique du système ont été évaluées. De plus, pour mettre en évidence les éventuelles interactions chimiques, la dégradation thermique des additifs et des formulations a été étudiée. L’amélioration des propriétés feu est également due à la formation d‘espèces polyaromatiques principalement liées par des ponts phosphohydrocarbonés. Par ailleurs, plusieurs solutions ont été apportées afin d’améliorer la compatibilité entre le PLA et l’amidon et ainsi augmenter les propriétés mécaniques de la formulation intumescente / The aim of this study is to evaluate the efficiency of different intumescent formulations to flame retard polylactic acid (PLA) by the incorporation of a phosphorous flame retardant compound (APP) and products coming from renewable resources. PLA/APP/starch composite shows the best fire retardant properties. Upon heating, the material forms a foamed cellular charred layer which protects the underlying material from the action of heat flux and flame and slows down heat and mass transfer between the gas and the condensed phase. The efficiency of intumescent structure can be explained by the viscosity of the formulation. Moreover, the explanation of the improvement of the fire properties is because of chemical reactions between the components of the formulation leading to thermally stable species like phosphocarbonaceous compound. Several solutions have been studied to improve mechanical properties of intumescent formulation.

Polyphosphates (PolyP) are linear chains of inorganic phosphates joined together by phosphoanhydride bonds. This polyanionic molecule has been found in all organisms and has been implicated in diverse biological processes such as cell growth and blood coagulation. Nonetheless, the mechanism of polyP’s involvement in these processes and its impact at a molecular level is still unknown. In 2015, the addition of polyP chains to lysine residues was found to be a novel post-translational modification. However, a hurdle in studying the impact of polyP in the mammalian system is its low endogenous levels. In this study, I applied an ectopic expression system using E. coli-derived polyphosphate kinase 1 (PPK) in HEK293T cells to induce excess production of polyP. In mammalian cells, increased intracellular polyP levels lead to increased activation of both Erk1/2 and p70s6k. I also expanded our system by utilizing the yeast exopolyphosphatase, Ppx1, to deplete polyP. Overall, this work presents a novel role for polyP in mediating key signalling pathways and will help probe the function of polyP in mammalian cells.