Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Dresden.

Xyloglucan endotransglucosylase activity (XET), one of the two main activities of wall xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase proteins (XTHs), is of interest because it is responsible for cutting and re-joining xyloglucan of the hemicellulose-cellulose microfibril network in the plant cell wall. XET activity causes transient matrix cleavage without hydrolysis, thus providing a molecular mechanism for controlled, turgor-driven wall expansion. XET activity can be involved in both wall-loosening, thus facilitating cell expansion, and wall-tightening, thus suppressing cell expansion depending on the molecular size, location and age of the participating xyloglucan chains. I have studied the existence of an ‘XET activating factor’ (XAF) in the cold-water-extractable polymers of cauliflower florets. Remaining water-soluble on boiling but losing activity upon proteinase K- and trypsin-digestions implied a heavily glycosylated glycoprotein. XAF was extracted from a wide range of plants and organs. XAF solubilised Arabidopsis cell-wall XTHs, increasing their XET activity on soluble xyloglucan up to 120-fold, tested by a novel method developed in my project. XAF had effects similar to those of 15 mM Ca2+ and 100 mM Na+ in this respect, although it was only weakly ionic. Interestingly, XAF had the unique ability to solubilise XET activity but no other tested wall enzymes from Arabidopsis cell walls, suggesting a specific interaction of XAF to XTH proteins. XAF was successfully purified by the use of several methods, developed in this project. These included cation-exchange column chromatography followed by anion-exchange column chromatography, resulting in two main XAF-activity fractions; or a native- PAGE electro-elution, resulting in three main fractions. Purified XAF contained a major amount of glucose, arabinose, galactose and uronic acid residues. Both boiled cauliflower preparation (BCP) and partially purified XAF were positive with AGP antibodies but the purification of AGP from BCP by the use of Yariv reagent did not enrich XAF activity. Mass-spectrometry analyses of the purified XAF fractions showed some candidates for XAF, including fasciclin-like arabinogalactan-protein 7 (FLA7), stress-responsive protein (LTI65, LTI140) and early nodulin-like protein 14 (ENODL14). Homozygous Arabidopsis mutants (confirmed by genotyping) defective in these genes were used to determine XAF as well as its biological role on plant cell growth. Although there was no phenotype observed, several organs of the mutant plants had significant increases or decreases in XAF activity compared to that of wild type plants. This is the first work that suggests a role of fla7, enodl14 and lti65 in the solubilisation, and thus activation, of Arabidopsis XET.

The ability of surfactants to form micelles and solubilise hydrophobic substances in aqueous environments has been widely exploited in formulation science. In spite of extensive studies over the past few decades by both experimental and theoretical methods, however, it remains difficult to predict key micellar parameters such as their size, shape and nanostructure which is essential for their successful implementation in the solubilisation of active ingredients. This is partly due to the vast number of surfactants commercially available but, in addition, the fragmentation of the field of surfactant science, over recent years, has made it more difficult to identify general trends and properties of surfactant systems. A further challenge is in characterising systems of heavily mixed surfactants since our knowledge on pure surfactant systems may not allow us to predict the behaviour of these systems. The broad aim of this thesis was to contribute to these aspects of surfactant science. The first part of the thesis reports a systematic study of the surfactant structure-micellar structure relationship of pure alkyl ethoxylate (CmEn) surfactants. This was done by independently varying the lengths of the alkyl chain and ethoxylate group and measuring the micellar structural properties. The next part of the thesis reports the effects of solubilisation of two model pesticides, Cyprodinil and Diuron, on the size, shape and internal structure of these surfactant micelles. These pesticides were chosen because they were structurally representative of different features of those widely used in agrochemicals. The final part of the thesis reports the work on binary surfactant mixtures that rationalise the general structural features of mixed micelles and their impact on pesticide solubilisation. Various experimental techniques were used including small angle neutron scattering (SANS), nuclear magnetic resonance (NMR), nuclear Overhauser effect spectroscopy (NOESY NMR), dynamic light scattering (DLS) and UV spectroscopy. The key findings of the thesis were that the micellar core volumes could be predicted with reasonable accuracy using the hydrophilic-lipophilic balance (HLB) of the surfactants in pure micelles. NOESY results revealed protrusions of the terminal methylene groups into the ethoxylate shell, thus providing evidence for the theoretically predicted phenomenon referred to as the-shell interface. SANS revealed that solubilisation of both pesticides caused micellar growth, with the long axial lengths of the micelles growing much longer. These structural changes were associated with the dehydration of the ethoxylate shells. Although a partitioning experiment predicted that the pesticides would be solubilised in the hydrated ethoxylate micellar shell, NOESY measurements revealed that the solubilisation occurred predominantly in the micellar cores. The discrepancy was caused by alkyl chain-ethoxylate mixing leading to the formation of dehydrated palisade regions that entrapped the pesticides towards the cores. The results from the binary mixed micelles showed some signs of synergistic behaviour but no enhancement of pesticide solubilisation.

The bile system in vertebrates is an evolutionary conserved endogenous solubilization system for hydrophobic fats and poorly water-soluble vitamins. Bile pours out from the gallbladder through the common bile duct into the duodenum triggered by cholecystokinin. Cholecystokinin is released from enteroendocrine cells after food intake. The small intestine is also the absorption site of many orally administered drugs. Most emerging drug candidates belong to the class of poorly water-soluble drugs (PWSDs). Like hydrophobic vitamins, these PWSDs might as well be solubilized by bile. Therefore, this natural system is of high interest for drug formulation strategies. Simulated intestinal fluids containing bile salts (e.g., taurocholate TC) and phospholipids (e.g., lecithin L) have been widely applied over the last decade to approximate the behavior of PWSDs in the intestine. Solubilization by bile can enhance the oral absorption of PWSDs being at least in part responsible for the positive “food effect”. The dissolution rate of PWSDs can be also enhanced by the presence of bile. Furthermore, some PWSDs profit from supersaturation stabilization by bile salts. Some excipients solubilizing PWSDs seemed to be promising candidates for drug formulation when investigated in vitro without bile. When tested in vivo, these excipients reduced the bioavailability of drugs. However, these observations have been hardly examined on a molecular level and general links between bile interaction in vitro and bioavailability are still missing. This thesis investigated the interplay of bile, PWSDs, and excipients on a molecular level, providing formulation scientists a blueprint for rational formulation design taking bile/PWSD/excipient/ interaction into account. The first chapter focus on an in silico 1H nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy-based algorithm for bile/drug interaction prediction. Chapter II to IV report the impact of excipients on bioavailability of PWSDs interacting with bile. At last, we summarized helpful in vitro methods for drug formulation excipient choice harnessing biopharmaceutic solubilization in chapter V. Chapter I applies 1H NMR studies with bile and drugs on a large scale for quantitative structure-property relationship analysis. 141 drugs were tested in simulated intestinal media by 1H NMR. Drug aryl-proton signal shifts were correlated to in silico calculated molecular 2D descriptors. The probability of a drug interacting with bile was dependent on its polarizability and lipophilicity, whereas interaction with lipids in simulated intestinal media components was dependent on molecular symmetry, lipophilicity, hydrogen bond acceptor capability, and aromaticity. The probability of a drug to interact with bile was predictive for a positive food effect. This algorithm might help in the future to identify a bile and lipid interacting drug a priori. Chapter II investigates the impact of excipients on bile and free drug fraction. Three different interaction patterns for excipients were observed. The first pattern defined excipients that interacted with bile and irreversibly bound bile. Therefore, the free drug fraction of bile interacting drugs increased. The second pattern categorized excipients that formed new colloidal entities with bile which had a high affinity to bile interacting drugs. These colloids trapped the drug and decreased the free drug fraction. The last excipient pattern described excipients that formed supramolecular structures in coexistence with bile and had no impact on the free drug fraction. These effects were only observed for drugs interacting with bile (Perphenazine and Imatinib). Metoprolol’s free drug fraction, a compound not interacting with bile, was unaffected by bile or bile/excipient interaction. We hypothesized that bile/excipient interactions may reduce the bioavailability of bile interacting drugs. Chapter III addresses the hypothesis from chapter II. A pharmacokinetic study in rats revealed that the absorption of Perphenazine was reduced by bile interacting excipients due to bile/excipient interaction. The simultaneous administration of excipient patterns I and II did not further reduce or enhance Perphenazine absorption. Conversely, the absorption of Metoprolol was not impacted by excipients. This reinforced the hypothesis, that drugs interacting with bile should not be formulated with excipients also interacting with bile. Chapter IV further elaborates which in vitro methods using simulated intestinal fluids are predictive for a drug’s pharmacokinetic profile. The PWSD Naporafenib was analyzed in vitro with simulated intestinal fluids and in presence of excipients regarding solubility, supersaturation, and free drug fraction. Naporafenib showed a strong interaction with TC/L from simulated bile. Assays with TC/L, but not without identified one excipient as possibly bioavailability reducing, one as supersaturation destabilizing, and the last as bile not interacting and supersaturation stabilizing excipient. A pharmacokinetic study in beagle dogs outlined and confirmed the in vitro predictions. The Appendix summarizes in vivo predictive methods as presented in chapter I to IV and rationalizes experimental design paving the way towards a biopharmaceutic excipient screening. The first presented preliminary decision tree is transformed into a step-by-step instruction. The presented decision matrix might serve as a blueprint for processes in early phase drug formulation development. In summary, this thesis describes how a drug can be defined as bile interacting or non-interacting and gives a guide as well how to rate the impact of excipients on bile. We showed in two in vivo studies that bile/excipient interaction reduced the bioavailability of bile interacting drugs, while bile non-interacting drugs were not affected. We pointed out that the bile solubilization system must be incorporated during drug formulation design. Simulated gastrointestinal fluids offer a well-established platform studying the fate of drugs and excipients in vivo. Therefore, rational implementation of biopharmaceutic drug and excipient screening steers towards efficacy of oral PWSD formulation design. / Das Gallensystem in Wirbeltieren ist ein evolutionär konserviertes endogenes Solubilisierungssystem für hydrophobe Fette und schwer wasserlösliche Vitamine. Ausgelöst durch Cholecystokinin wird Galle aus der Gallenblase durch den Hauptgallengang in den Zwölffingerdarm ausgeschüttet. Cholecystokinin wird zum Beispiel nach der Nahrungsaufnahme aus enteroendokrinen Zellen freigesetzt. Der Dünndarm ist auch der Ort, an dem viele oral verabreichte Arzneimittel aufgenommen werden. Die meisten neuen Arzneimittelkandidaten gehören zur Klasse der schlecht wasserlöslichen Arzneimittel (poorly water-soluble drugs: PWSDs). Galle kann auch wie bei hydrophoben Vitaminen die Löslichkeit von PWSDs verbessern. Daher ist dieses natürliche System von großem Interesse für Arzneimittelformulierungsstrategien. Simulierte Darmflüssigkeiten, die Gallensalze (z.B. Taurocholat TC) und Phospholipide (Lecithin L) enthalten, wurden in den letzten Jahren häufig verwendet, um das Verhalten von PWSDs im Darm zu simulieren. Die Löslichkeitsverbesserung durch Galle kann die orale Absorption von PWSDs erhöhen, was ein möglicher Grund für den sogenannten positiven "Nahrungsmitteleffekt" darstellt. Auch die Auflösungsgeschwindigkeit von PWSD kann durch die Anwesenheit von Galle verbessert werden. Darüber hinaus profitieren einige PWSDs von der Stabilisierung der Übersättigung durch Gallensalze. Einige Hilfsstoffe, die die Löslichkeit von PWSDs stark erhöhten, schienen vielversprechende Kandidaten für die Arzneimittelformulierung zu sein, wenn sie in vitro ohne Galle untersucht wurden. In vivo getestet, verringerten diese Hilfsstoffe jedoch die Bioverfügbarkeit. Diese Beobachtungen wurden bisher kaum auf molekularer Ebene untersucht, und allgemeine Zusammenhänge zwischen der Interaktion mit der Galle in vitro und der Bioverfügbarkeit fehlen bisher. In dieser Arbeit wurde das Zusammenspiel von PWSD, Hilfsstoffen und Galle auf molekularer Ebene untersucht, um Formulierungswissenschaftlern einen Entwurf für ein rationales Formulierungsdesign zu liefern, das die Wechselwirkung zwischen PWSD, Hilfsstoffen und Galle berücksichtigt. Das erste Kapitel befasst sich mit einem auf 1H-Kernspinresonanzspektroskopie (1H NMR) basierenden in-silico-Algorithmus zur Vorhersage von Wechselwirkungen zwischen Galle und Arzneimittel. Die Kapitel II bis IV zeigen die Auswirkungen von Hilfsstoffen auf die Bioverfügbarkeit von PWSDs, die mit der Galle interagieren. Schließlich haben wir in Kapitel V hilfreiche in-vitro-Methoden für die Auswahl von Hilfsstoffen in Arzneimittelformulierungen zusammengefasst, die die biopharmazeutische Solubilisierung nutzen. In Kapitel I werden 1H-NMR-Studien mit Galle und Arzneimitteln in großem Maßstab zur quantitativen Analyse der Struktur-Eigenschafts-Beziehung durchgeführt. 141 Arzneimittel wurden in simulierten Darmmedien mittels 1H-NMR untersucht. Die Aryl-Proton-Signalverschiebungen der Arzneimittel wurden mit in silico berechneten molekularen Deskriptoren korreliert. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Arzneimittel mit Galle interagiert, hing von seiner Polarisierbarkeit und Lipophilie ab, während die Interaktion mit Lipiden in simulierten Darmmedienkomponenten von der molekularen Symmetrie, Lipophilie, der Fähigkeit Wasserstoffbrückenbindungen einzugehen, und der Aromatizität abhing. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Arzneimittel mit Galle interagiert, war prädiktiv für einen positiven Nahrungsmitteleffekt. Dieser Algorithmus könnte in Zukunft dabei helfen, ein mit Galle und Lipiden interagierendes Arzneimittel a priori zu identifizieren. In Kapitel II wird der Einfluss von Hilfsstoffen auf die Galle und den Anteil des freien Arzneimittels untersucht. Es wurden drei verschiedene Interaktionsmuster für Hilfsstoffe beobachtet. Das erste Muster interagiert mit der Galle und bindet die Galle irreversibel. Dadurch erhöhte sich der Anteil des freien Wirkstoffs. Das zweite Muster von Hilfsstoffen bildete mit der Galle neue kolloidale Strukturen, die eine hohe Affinität zum Arzneimittel hatten. Diese Kolloide schlossen den Wirkstoff ein und verringerten den Anteil des freien Wirkstoffs. Das letzte Hilfsstoffmuster bildete supramolekulare Strukturen in Koexistenz mit der Galle und hatte keinen Einfluss auf den Anteil des freien Arzneistoffes. Diese Auswirkungen wurden nur bei Arzneimitteln beobachtet, die mit der Galle interagieren (Perphenazin und Imatinib). Der Anteil des freien Wirkstoffs Metoprolol, der nicht mit der Galle interagiert, wurde durch die Interaktion von Galle oder Galle/Hilfsstoff nicht beeinflusst. Wir stellten die Hypothese auf, dass Wechselwirkungen zwischen Galle und Hilfsstoffen die Bioverfügbarkeit von Arzneimitteln, die mit der Galle interagieren, verringern können. Kapitel III befasst sich mit der Hypothese aus Kapitel II. Eine pharmakokinetische Studie an Ratten ergab, dass die Absorption von Perphenazin durch mit der Galle interagierende Hilfsstoffe aufgrund einer Wechselwirkung zwischen Galle und Hilfsstoff verringert wurde. Die gleichzeitige Verabreichung der Hilfsstoffmuster I und II führte nicht zu einer weiteren Verringerung oder Erhöhung der Perphenazin-Resorption. Umgekehrt wurde die Absorption von Metoprolol durch die Hilfsstoffe nicht beeinträchtigt. Dies bestätigt die Hypothese, dass Arzneimittel, die mit Galle interagieren, nicht mit Hilfsstoffen formuliert werden sollten, die ebenfalls mit Galle interagieren. In Kapitel IV wird näher erläutert, welche in-vitro-Methoden für das pharmakokinetische Profil eines Arzneimittels aussagekräftig sind. Das PWSD Naporafenib wurde in vitro mit simulierten Darmflüssigkeiten und in Gegenwart von Hilfsstoffen hinsichtlich Löslichkeit, Übersättigung und freiem Wirkstoffanteil analysiert. Naporafenib zeigte eine starke Wechselwirkung mit TC/L aus simulierter Galle. Bei Untersuchungen mit TC/L, aber nicht ohne TC/L, wurde ein Hilfsstoff als möglicherweise bioverfügbarkeitsvermindernd, ein Hilfsstoff als die Übersättigung destabilisierend und der letzte als nicht mit der Galle interagierender und die Übersättigung stabilisierender Hilfsstoff identifiziert. In einer pharmakokinetischen Studie an Beagle-Hunden wurden die in-vitro-Vorhersagen bestätigt. Der Anhang fasst die in den Kapiteln I bis IV vorgestellten in-vivo-Vorhersagemethoden zusammen und rationalisiert die Versuchsplanung, die den Weg für ein biopharmazeutisches Hilfsstoffscreening ebnet. Der vorgestellte vorläufige Entscheidungsbaum wird in eine Schritt-für-Schritt-Anleitung umgewandelt. Die vorgestellte Entscheidungsmatrix soll in den Prozess der frühen Phase der Entwicklung von Arzneimittelformulierungen implementiert werden können. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit beschrieben, wie ein Arzneimittel als Galle interagierend oder nicht interagierend definiert werden kann, und es wird ein Leitfaden für die Bewertung der Auswirkungen von Hilfsstoffen auf Galle gegeben. Wir haben in zwei In-vivo-Studien gezeigt, dass die Interaktion zwischen Galle und Hilfsstoff die Bioverfügbarkeit von Arzneistoffen, die mit der Galle interagieren, verringert, während Arzneistoffe, die nicht mit der Galle interagieren, davon nicht betroffen waren. Wir wiesen darauf hin, dass das Solubilisierungssystem der Galle bei der Entwicklung von Arzneimittelformulierungen berücksichtigt werden muss. Simulierte gastrointestinale Flüssigkeiten bieten eine gut etablierte Plattform zur Untersuchung von Arzneistoffen und Hilfsstoffen in vivo. Die rationelle Umsetzung des biopharmazeutischen Screenings von Arzneimitteln und Hilfsstoffen führt daher zu einem wirksamen Formulierungsdesign von oralen, schwer wasserlöslichen Arzneistoffen.

La maladie d'Alzheimer (MA) est une neuropathologie complexe qui constitue la principale forme de démence chez l'être humain. Étroitement associée au vieillissement, elle se manifeste par une perte progressive de la mémoire et des fonctions cognitives. Avec 30 millions d’individus concernés au niveau mondial et des estimations voyant ce chiffre quadrupler d'ici 2050, elle constitue aujourd’hui une menace sociétale majeure. L’atrophie cérébrale observée chez les patients atteints de la MA est la conséquence d’un long processus de neurodégénérescence qui intervient au niveau moléculaire et s’amorce bien avant l’apparition des symptômes. Deux marqueurs histopathologiques ont été identifiés comme étant associés à ce processus : les plaques séniles, composées du peptide Abêta1-42 et les dégénérescences neurofibrillaires constituées de la protéine Tau. Ces deux molécules, considérées comme les protagonistes décisifs du développement de la MA, concentrent les recherches afin de mieux comprendre leurs rôles dans le processus neurodégénératif et pouvoir mettre en place des solutions thérapeutiques, inexistantes à ce jour. Un des axes de recherche majeurs se focalise sur l’interaction de ces molécules avec la membrane plasmique. L’occurrence d’un tel phénomène pourrait potentiellement être en cause dans la mort neuronale s’il s’avérait délétère. Il est donc capital d’étudier en détail ces processus afin d’identifier les facteurs qui pourraient conduire Abêta1-42 et Tau à endommager l’intégrité des membranes. De nombreux travaux ont démontré que certains lipides pouvaient promouvoir ces interactions. Cependant, les conclusions sont parfois divergentes et un consensus commun reste à trouver quant à leurs rôles. Ce travail de thèse s’est consacré à l’étude des modes d’action du peptide Abêta1-42 et d’un fragment clé de la protéine Tau, le peptide K18, sur des membranes modèles, en se focalisant principalement sur l’influence de certains lipides. Afin d’élucider les mécanismes qui régissent ces phénomènes, les processus de solubilisation membranaire ont dans un premier temps été étudiés avec des molécules amphiphiles bien caractérisées : les détergents. Cette étude a permis d’établir que les phénomènes de solubilisation membranaire peuvent varier en fonction de la composition membranaire et démontrer de la sélectivité lors de l’extraction lipidique. Le cœur du projet était de visualiser les effets des peptides amyloïdes Abêta1-42 et K18 sur des modèles membranaires, les bicouches supportées, avec pour principale technique d’investigation la microscopie à force atomique. Elle nous a permis d’observer ces phénomènes in situ, en conditions physiologiques et à l’échelle sub-micrométrique. Nous avons pu montrer que la composition membranaire était un facteur pouvant moduler l’interaction avec Abêta1-42. L'étude établit que les domaines lipidiques favorisent les perturbations membranaires induites par le peptide. Il est proposé que des défauts d'empilement lipidiques aux interfaces de ces domaines agissent comme des sites d'adsorption du peptide, menant à la destruction des membranes. En utilisant la même approche, avec des compositions lipidiques plus en adéquation avec la protéine Tau, nous avons pu observer que K18 induisait également des effets de perturbation en fonction de la nature des lipides dans la membrane et des propriétés qui leurs sont associées. Dans les deux cas, nous montrons les effets délétères que peuvent induire ces peptides, qui se manifestent par des effets de solubilisation comparables à ceux des détergents et qui sont dépendants de la composition des membranes. L’agrégation des peptides, qui peut conduire à leur fibrillation, n’a également été mise en évidence qu’en présence de lipides spécifiques. Ce travail de thèse apporte de nouvelles informations sur l’importance des lipides et leurs capacités à pouvoir moduler les interactions avec les peptides Abêta1-42 et K18. Par extension aux membranes cellulaires, ces phénomènes pourraient potentiellement être associés aux processus neurodégénératifs complexes impliqués dans la MA. / Alzheimer’s disease is a complex neuropathological disorder that constitutes the prime form of dementia. Intimately related to ageing, it is associated to the gradual loss of memory and cognitive functions in individual suffering from the pathology. With nearly 30 million people concerned today, and the alarming trends predicting this figure to increase fourfold by 2050, Alzheimer’s disease will constitute a major burden for our societies in the upcoming decades. The cerebral atrophy occurring within the brain results from slow and progressive neurodegenerative mechanisms triggered many years before the appearance of the first symptoms. Two histopathological markers have been identified as strongly associated to the neurodegeneration: the senile plaques, majorly composed of the amyloid peptide Abeta1-42, and the neurofibrillary tangles, constituted of the abnormally phosphorylated form of Tau protein. These two molecules, hence considered as the main culprits of the disease, are therefore under the spotlight of researchers who try to better understand their respective roles in the neurodegeneration process and uncover therapeutic solutions to a still uncurable disease. One of the promising research axis is focusing on the interplay between these molecules and the plasma membrane as potential interactions could convincingly rationalize the neural cell deaths if they happened to be deleterious. Therefore, investigate these interactions in detail is of primary importance to identify the factors that might drive Abeta1-42 and Tau to cause damages on membranes. A strong body of evidences has demonstrated that certain lipids could promote these interactions and are then suspected to be involved into detrimental phenomena. However, numerous results appear to be contradicting and consensual conclusions are still lacking. This PhD was dedicated to the investigation of the effects of Abeta1-42 and K18, a key peptide fragment of Tau protein, on membranes with a particular focus on the influence of lipids. The aim of this work was to elucidate the action mechanisms of these peptides. To first comprehend how membrane damages can be induced, we first focused on the solubilising ability of extensively used amphiphile agents: detergents. As a first study, we revealed that the membrane composition and the physicochemical properties of lipids play an important role in driving the solubilisation of the bilayer, a process that can even lead to a selectivity during the lipid extraction. The core part of the project was to visualize the effects of the amyloid peptides Abeta1-42 and K18 on supported lipid bilayers, used as membrane models, using atomic force microscopy as an investigation technique. With its high spatial resolution and its ability to operate in physiological milieu, this approach has shown that the membrane composition could promote membrane disruption induced by Abeta1-42 oligomers in a lipid-dependent manner. More importantly, we propose that packing defects at the interface of membrane domains act as adsorption and nucleation sites leading to membrane damages. Using the same strategy, we observed that K18 could also induce solubilisation phenomenon and demonstrated to be sensitive to the lipid nature. In both cases, we have highlighted that these peptides could be detrimental to supported lipid bilayers and that their disruptive abilities, associated to detergent-like mechanisms, were intimately dependent of lipids. We also show that the aggregation, a phenomenon that can lead to the peptide fibrillation can only be triggered in presence of certain lipids. This work provides important insights about the decisive role of the membrane composition in modulating interactions with the Abeta1-42 and K18. This interplay could constitute one of the numerous factors that promote neurotoxic phenomena, taking part in the complex neurodegenerative processes associated to Alzheimer’s disease.

Les nanotubes de carbone ou le graphène sont des formes allotropiques du carbone prometteuses pour un large domaine d'applications, mais des modifications de leur surface carbonée sont nécessaires pour leur manipulation et mise en forme. La fonctionnalisation covalente est un des moyens utilisés avec succès dans ce cadre, même si les modifications induites ne sont pas contrôlables. Les travaux réalisés au cours de cette thèse concernent l'utilisation de la réduction chimique des nanotubes et autres nanoformes de carbone, nanocornes, graphène ou nanodisques, pour d'une part obtenir des solutions stables et concentrées dans une gamme de solvants dépendant du type de nanoforme et d'autre part fonctionnaliser de manière covalente les différents types de surface carbonée de ces objets. Dans le cas des nanotubes, des molécules acceptrices ou donneuses d'électrons ont ainsi été greffées permettant la formation d'ensembles donneur-accepteur. D'autre part, le nombre de fonctions chimique greffées a pu être contrôlé, préservant ainsi les propriétés électroniques des nanotubes.

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

Cette étude a pour principal objectif de mettre en évidence le rôle des bactéries solubilisatrices de phosphate (rhizobia) dans une meilleure gestion des systèmes de cultures associant la fève (légumineuse) et le blé (céréale) en monoculture et en cultures mixtes sous des conditions de déficience en P. Cent neuf souches de rhizobia ont été isolées à partir des nodules racinaires des plantes de V. faba dans la région de Marrakech. Les analyses phylogénétiques basées sur les gènes 16S rDNA, recA et nodD montrent que les souches étudiées sont proches phylogénétiquement de R. leguminosarum biovar viciae, de R. laguerreae et de Ensifer meliloti. Nous avons également décelé la présence du gène pqqC qui est impliqué dans la solubilisation du phosphate (pyrroloquinoline quinone synthase C) chez 15 souches de rhizobia. 22% de ces souches ont été identifiées comme étant capables de solubiliser le phosphate minéral. Ensuite, nous avons montré que l’inoculation avec certaines souches de rhizobia ayant la capacité de solubiliser le P in vitro améliore la croissance des plants de fève et de blé en serre (en monoculture et culture mixte). Nous avons aussi noté des réponses différentes à l’effet de l’inoculation selon les combinaisons symbiotiques étudiées fève-rhizobia. Nous avons également montré que les souches de rhizobia peuvent stimuler le transfert d'azote fixé de la fève au blé, ce qui pourrait contribuer de manière significative au processus de facilitation plante-plante dans les cultures en association dans des conditions de sols carencés en phosphore. En plus de ces avantages de l’association, cette pratique culturale n’est pas limitée à un effet trophique (amélioration de la nutrition azotée des plantes), mais pourrait résulter d'interactions microbiennes qui peuvent agir directement sur la croissance du blé (effet PGPR). Les résultats des expérimentations menées en serre et au champ montrent, en effet, que les cultures mixtes stimulent la croissance du blé ainsi que sa nutrition minérale (N et P).Ces résultats soulignent l'utilité de développer ce type de pratiques culturales associant les légumineuses et les céréales et d'utiliser les ressources microbiennes locales dans les agro-écosystèmes afin d’améliorer la production agricole, en réduisant l’utilisation des intrants chimiques coûteux et néfastes pour l'environnement. / The main purpose of this study is to evaluate the role of phosphate solubilizing rhizobial strains in promoting faba bean (legume) and wheat (cereal) growth in mono and mixed cultures under phosphorus deficiency conditions. 109 rhizobial strains have been isolated from nodules of V. faba plants in Marrakech region. Phylogenetic analysis based on 16S rDNA, recA and nodD genes showed that the studied strains are close to Rhizobium leguminosarum biovar viciae, R. laguerreae and Ensifer meliloti. We detected the presence of pqqC gene which is implicated on phosphate solubilization (Pyrroloquinoline-quinone synthase C) in 15 rhizobia strains. 22 % of isolated strains were found to be able to solubilize mineral phosphate. We have demonstrated that the inoculation with some of rhizobial strains with PSolubilization capacity in vitro, improved the growth of fava bean and wheat plants in greenhouse (both in mono and mixed cultures). We noticed different reactions to the inoculation's effect, depending on the symbiotic combinations faba bean-rhizobia studied. We also showed that rhizobial strains can stimulate the transfer of fixed nitrogen from the bean to the wheat, which could contribute significantly to the plant-plant facilitation process in associated cultures with phosphorus deficiency conditions. Besides this association advantages, this cultural practice is not limited to a trophic effect (improvement of the nitrogenous nutrition of plants), but could engender microbial interactions which can directly enhance the wheat growth (PGPR effect). The results of the experiments conducted in greenhouse and on field show that mixed cultures stimulate wheat growth and its mineral nutrition (N and P). These results underline the utility of developing this kind of cultural practices associating legumes and cereals, and to use the local microbial resources in the agro-ecosystems to improve the agricultural production by reducing the use of agricultural improvers among others expensive artificial fertilizers which represent a threat to the environment.

La prédiction des performances des séparations membranaires barométriques, fortement affectées par la polarisation de concentration, serait une avancée importante pour le dimensionnement et l’optimisation des procédés. Dans ce contexte, les équations couplées de Navier-Stokes et de conservation du soluté adimensionnées sont résolues numériquement dans le cas d’un écoulement stationnaire laminaire en filtration tangentielle. Le canal plan bidimensionnel comporte des parois perméables soumises à des conditions aux limites du type solubilisation-diffusion. Le flux de perméat, le taux de rétention et le débit, la concentration et la chute de pression du rétentat sont déterminés localement. Les simulations soulignent l’influence des perméabilités membranaires au soluté et au solvant sur la polarisation de concentration et la dépendance non-asymptotique du taux de rétention avec la pression appliquée. Le modèle est validé pour des modules plans et spiralés d’osmose inverse et de nanofiltration dense en comparant les calculs à des résultats expérimentaux tirés de la littérature et de nos propres essais pilotes de dessalement. Aussi, une méthode à l’échelle de la paillasse permettant de déterminer les perméabilités au soluté et au solvant par des expériences d’osmose et diffusion est développée et appliquée à des membranes d’osmose inverse et de nanofiltration. La divergence des mécanismes de transfert engendrés sous l’influence de la pression ou sous l’influence d’un gradient osmotique est mise en évidence. Le modèle numérique et la méthode expérimentale sont des outils prometteurs d’applicabilité immédiate dans le domaine des membranes. / The prediction of the performance of pressure-driven membrane separations, deeply affected by concentration polarization, would be an important advance for process design and optimization. In this context, the dimensionless coupled Navier-Stokes and solute conservation equations are solved numerically for a steady laminar cross-flow filtration. The two-dimensional flat channel consists of permeable walls subject to solution-diffusion boundary conditions. The permeate flux, the rejection rate and the retentate’s flow rate, concentration and pressure drop are determined locally. The simulations highlight the influence of the membrane solute and solvent permeabilities on concentration polarization and the non-asymptotic dependence of the rejection rate on the applied pressure. The model is validated for reverse osmosis and tight-nanofiltration plate-and-frame and spiral-wound modules by comparison to experimental results from the literature and from our own pilot desalination tests. Furthermore, a bench-scale method enabling the determination of solute and solvent permeabilities from osmotic-diffusive experiments is developed and applied to reverse osmosis and nanofiltration membranes. The divergence between the transport mechanisms engendered by pressure and by an osmotic gradient is evidenced. The numerical model and the experimental method are new promising tools with immediate applicability in the membrane field.

Les nanotubes de carbone ou le graphène sont des formes allotropiques du carbone prometteuses pour un large domaine d’applications, mais des modifications de leur surface carbonée sont nécessaires pour leur manipulation et mise en forme. La fonctionnalisation covalente est un des moyens utilisés avec succès dans ce cadre, même si les modifications induites ne sont pas contrôlables. Les travaux réalisés au cours de cette thèse concernent l’utilisation de la réduction chimique des nanotubes et autres nanoformes de carbone, nanocornes, graphène ou nanodisques, pour d’une part obtenir des solutions stables et concentrées dans une gamme de solvants dépendant du type de nanoforme et d’autre part fonctionnaliser de manière covalente les différents types de surface carbonée de ces objets. Dans le cas des nanotubes, des molécules acceptrices ou donneuses d’électrons ont ainsi été greffées permettant la formation d’ensembles donneur-accepteur. D’autre part, le nombre de fonctions chimique greffées a pu être contrôlé, préservant ainsi les propriétés électroniques des nanotubes. / Carbon nanotubes and graphene are promising allotropes of carbon for a large range of applications. Due to their tendency to aggregate, modifications of the carbon surface are required in order to manipulate them. Covalent functionalization is one of the ways commonly used to reach this target even if this route is not controllable. The study presented in this thesis deals with the chemical reduction of carbon nanotubes and other forms of carbon such as nanohorns, graphene, nanocones and nanodisks. Two main results have been demonstrated here. First, adding electrons to these materials renders them soluble at high concentrations in various organic solvents. Second, these reduced materials can be functionalized covalently thanks to the charges excess. Donor-acceptor dyads have thus been prepared by grafting organic dyes such as porphyrin and perylene to the nanotubes. Furthermore the extent of functional groups can be controlled preserving the electronic properties of carbon nanotubes.