Ce mémoire traite du développement d'outils informatiques d'aide à l'analyse structurale des petites molécules organiques par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Il comprend deux volets axés sur l'automatisation de tâches auxquelles les chimistes des laboratoires de synthèse organique ou d'isolement de substances naturelles sont confrontés au quotidien, à savoir l'élucidation et la vérification de structure. Le premier volet concerne des améliorations apportées au logiciel de génération de structure LSD (Logic for Structure Determination). Ce logiciel est basé sur l'interprétation des corrélations des spectres de RMN 2D pour la détermination de structures complètement ou partiellement inconnues. Les progrès récents ont pour but d'augmenter la diversité des molécules analysables et d'améliorer le traitement des corrélations ainsi que la présentation des résultats. L'intégration de LSD avec la base de données SISTEMAT permet de bénéficier de la source d'information supplémentaire que constitue la valeur des déplacements chimiques. Cet avantage se traduit par un filtrage des solutions en fonction d'éléments de sous-structure sélectionnés dans une collection de squelettes de produits naturels. Le second volet présente le développement du logiciel CASA (Computer-Aided Spectral Assignment) dont le rôle est de réaliser une vérification automatique de structure par l'attribution des résonances. Il s'appuie sur des contraintes issues des spectres de RMN 2D et sur un module de prédiction des déplacements chimiques 13C. / This thesis deals with the development of computational tools for structural analysis of small organic molecules by Nuclear Magnetic Resonance (NMR). It consists of two parts that focus on the automation of tasks that chemists working in the fields of organic synthesis or natural substance isolation daily face, namely structure elucidation and verification. The first part reports improvements of the structure generation software LSD (Logic for Structure Determination). This software is designed for the determination of completely or partially unknown structures from the interpretation of 2D NMR correlation spectra. The present work aims to increase the diversity of the molecules that can be analyzed and to improve the processing of correlation data as well as the presentation of results. The integration of LSD with the SISTEMAT database introduces chemical shifts values as an additional information source. It allows the chemist to sort the possible solutions of a problem according to the presence of known natural product skeletons. The second part presents the development of the CASA (Computer-Aided Spectral Assignment) software as a tool for automatic structure assignment. It jointly makes use of constraints from 2D NMR spectra and from the matching between experimental and predicted 13C chemical shifts.

L'objectif de cette thèse est d'expliquer les avantages qu'offrent la reconstruction de l'architecture des unités géologiques, leurs déformations ainsi que leurs variations au cours du temps à l'exploration de ressources minérales, tout en appliquant des méthodes et outils de modélisation 3D et 4D. La modélisation et la restauration structurale sont utilisées ici pour estimer des attributs géologiques qui peuvent aider à la compréhension de la formation des gisements, et à l'identification des zones favorables aux minéralisations. Cette thèse est axée sur l'application de la modélisation 3D et 4D à des cas réels pour trouver le lien entre une minéralisation et des processus géologiques tel que l'exhumation des terrains, l'activité des failles et la fracturation résultant d'un évènement de déformation. Ce mémoire est organisé en trois parties : (i) la modélisation structurale ainsi que la restauration surfacique ont été appliquées au district minier de la Ceinture de Cuivre de Legnica-Glogów (sud-ouest de la Pologne), pour estimer les conditions favorables à la fracturation hydraulique. Cette fracturation est intervenue dans le nord de l'Europe lors d'une phase d'inversion à la fin du Crétacé et au début du Paléocène. Dans notre hypothèse de départ, la fracturation hydraulique développée au cours de cette période a joué un rôle important dans la distribution en cuivre observée aujourd'hui dans le district minier ; (ii) la courbure des surfaces triangulées, représentant les horizons de la région des Sudètes polonaises, permet de mettre en évidence les systèmes de failles dans le socle. En particulier, des méthodes de restauration surfaciques ont été utilisées pour évaluer l'activité de des failles au cours du temps, en se basant sur la courbure des surfaces obtenues à chaque étape de la restauration. Les zones de fortes activités sont ici associées aux processus de minéralisation cuprifère de la région ; (iii) la restauration mécanique de la région de Mount Pleasant (Australie occidentale), a permis de simuler un évènement de raccourcissement apparu dans l'Archéen et qui est lié à un processus de minéralisation aurifère. La restauration mécanique est appliquée pour estimer le champ des déformations de la région au moment du raccourcissement. Avec ce champ de déformation, il est possible de calculer les paramètres d'endommagement de la masse rocheuse qui semblent liés aux zones aurifères situées hors des systèmes principaux de failles. Cette thèse a ainsi permis de mettre en évidence l'aspect prometteur de la modélisation et de la restauration structurale pour identifier des zones potentiellement minéralisées, mettant en valeur leur utilisation pour l'exploration des gisements et des ressources minérales / The objective of this Ph.D. thesis is to apply 3D and 4D modeling methods to reconstruct the architecture and deformations over time of geological entities in a defined region. Structural restoration modeling is used here to estimate geological, physical and structural attributes for understanding the origin of ore-deposits, and for identifying potential mineralized areas. We focused this thesis on 3D and 4D modeling on real case studies with different geological contexts (e.g. uplifting, fault activity and shortening), demonstrating the advantages and drawbacks on their use for similar situations. This thesis is organized into three parts: (i) the application of structural modeling in the mining district of the Copper Belt of Legnica-Glogów (south-west Poland). A surface-restoration approach was applied to estimate favorable conditions for hydraulic fracturing during an inversion, occurred in the northern part of Europe at Late Cretaceous--Early Paleocene. In our hypothesis, hydraulic fracturing developed at that time played an important role in the distribution of copper content observed in present days in the mining district. (ii) The curvature calculated on triangulated surfaces that represent the stratigraphic horizons in the Fore-Sudetic region (Poland), are used to highlight the fault systems in the basement as well as their activity. High curvature values reveal the fault activity which is associated with the copper mineralization process in the region. (iii) Mechanical restoration of the Mount Pleasant, Western Australia, simulates an Archean shortening event which occurred in the area linked to the gold mineralization process. The mechanical restoration was used to estimate the strain field in the region at the time of shortening. This deformation field was used to estimate the damage parameters of the rock mass. They show new potential gold areas located in off-fault gold systems. In conclusion, it is shown that 3D modeling and structural restoration could be used to identify potential favorable zones for the presence of mineralization, and seem promising as a tool for the exploration of ore-deposits and mineral resources

La spectrométrie de masse, initialement développée pour de petites molécules, a permis au cours de la dernière écoulée d’étudier en phase gazeuse des assemblages macro-moléculaires intacts, posant nombre de questions algorithmiques difficiles, dont trois sont étudiées dans cette thèse. La première contribution concerne la détermination de stoichiométrie (SD), et vise à trouver le nombre de copies de chaque constituant dans un assemblage. On étudie le cas où la masse cible se trouve dans un intervalle dont les bornes rendent compte des incertitudes des mesures des masses. Nous présentons un algorithme de taille mémoire constante (DIOPHANTINE), et un algorithme de complexité sensible à la sortie (DP++), plus performants que l’état de l’art, pour des masses en nombre entier ou flottant. La seconde contribution traite de l’inférence de connectivité à partir d’une liste d’oligomères dont la composition en termes de sous-unités est connue. On introduit le problème d’inférence de connectivité minimale (MCI) et présente deux algorithmes pour le résoudre. On montre aussi un accord excellent entre les contacts trouvés et ceux détermines expérimentalement. La troisième contribution aborde le problème d’inférence de connectivité de poids minimal, lorsque chaque contact potentiel a un poids reflétant sa probabilité d’occurrence. On présente en particulier un algorithme de bootstrap permettant de trouver un ensemble d’arêtes de sensitivité et spécificité meilleures que celles obtenues pour les solutions du problème MCI. / Mass spectrometry (MS), an analytical technique initially invented to deal with small molecules, has emerged over the past decade as a key approach in structural biology. The recent advances have made it possible to transfer large macromolecular assemblies into the vacuum without their dissociation, raising challenging algorithmic problems. This thesis makes contributions to three such problems. The first contribution deals with stoichiometry determination (SD), namely the problem of determining the number of copies of each subunit of an assembly, from mass measurements. We deal with the interval SD problem, where the target mass belongs to an interval accounting for mass measurement uncertainties. We present a constant memory space algorithm (DIOPHANTINE), and an output sensitive dynamic programming based algorithm (DP++), outperforming state-of-the-art methods both for integer type and float type problems. The second contribution deals with the inference of pairwise contacts between subunits, using a list of sub-complexes whose composition is known. We introduce the Minimum Connectivity Inference problem (MCI) and present two algorithms solving it. We also show an excellent agreement between the contacts reported by these algorithms and those determined experimentally. The third contribution deals with Minimum Weight Connectivity Inference (MWCI), a problem where weights on candidate edges are available, reflecting their likelihood. We present in particular a bootstrap algorithm allowing one to report a set of edges with improved sensitivity and specificity with respect to those obtaining upon solving MCI.

Ce travail de thèse a été consacré au développement de nanocomposites polymère (PVDF-co-HFP) – silice hautement chargés en nanoparticules par voie solvant. La combinaison d’un polymère fluoré ; ayant des propriétés mécaniques, diélectriques, piézoélectriques et pyroélectriques très intéressantes ; avec des nanoparticules de silice pourrait nous permettre le développement de nouvelles solutions dans le domaine de l’énergie. Ainsi nous avons étudié l’impact de la chimie de surface des nanoparticules de silice, des paramètres expérimentaux et du procédé par voie solvant sur la structure et les propriétés finales des matériaux obtenus. Pour la réalisation de ces matériaux par voie solvant, une solution P(VDF-co-HFP) – silice dans un solvant commun est préparée puis séchée. Dans le cadre de ce projet nous avons travaillé avec des cétones aliphatiques présentant différentes longueurs de chaînes: la Methyl Ethyl Ketone (MEK) et la 2-heptanone. Ainsi pour la préparation des solutions nous avons développé une approche générique pour transférer des nanoparticules en solution dans l’eau dans un solvant organique par l’intermédiaire d’un agent de transfert. Cependant, avant l’étape de dépôt et séchage, nous avons constaté que le PVDF et ses copolymères (dont le P(VDF-co-HFP)) forment un gel thermoréversible dans ces deux solvants ; avec ou sans silice. Cette gélification impacte certainement l’étape de solvent casting or aucun consensus concernant les mécanismes responsables de la gélification de ce polymère n’a été trouvé dans la littérature. Il apparait primordial de comprendre les mécanismes de gélification du P(VDF-co-HFP) avant d’étudier les propriétés des nanocomposites. Pour cela nous avons étudié l’influence de différents paramètres : nature du solvant, concentration en copolymère, température, présence de charges (concentration et chimie de surface) sur les mécanismes de gélification (Chapitre 3). La cinétique de gélification a été étudiée par tube-tilting et rhéologie linéaire. Une combinaison de RMN 19F, DSC, SAXS, WAXS et rhéologie non-linéaire a été utilisée pour déterminer les mécanismes réponsables de la gélification du P(VDF-co-HFP) dans ces solvants. La 19F RMN a montré l'existence d'un réseau de polymère où des zones rigides agiraient comme des noeuds de réticulation. Ce comportement n'a été observé qu'à l'état gel: aucun réseau de polymère ou aucune zone rigide n'existent quand la solution de polymère est à l'état liquide. La nature et la fraction volumique de ces zones rigides présentes à l'état gel ont été étudiés par DSC et diffraction des rayons X. Une faible fraction de cristallites, qui correspondrait aux zones rigides, a été observée dans ces gels. Dans une troisième étape (Chapitre 4), l'impact de l'addition de silice sur la gélification du P(VDF-co-HFP) a été étudié. Pour cela, des gels polymère-silice ont été formulés dans la MEK et la 2-heptanone en utilisant deux sources de silice nanométrique: celle préparée par transfert de phase et une solution commerciale Nissan. Nous avons observé que la présence de silice impacte peu la gélification du polymère contrairement au procédé, et plus particulièrement à la présence d'eau résiduelle dans le matériau. La rhéologie non linéaire des gels dans la 2-heptanone, chargés ou non en silice, a ensuite été étudiée sous LAOS. Le comportement de ces matériaux varie avec la contrainte et passe d'un régime élastique à un régime visqueux. Cependant avant de passer dans le domaine visqueux, les gels non chargés montre un fort strain-hardening. Au contraire, l'incorporation de nanoparticules inhibe le strain-hardening. Dans une dernière étape, des films P(VDF-co-HFP)-silice ont été préparés par voie solvant. Des matériaux homogènes contenant jusqu'à 40wt% de nanoparticules ont été obtenus, avec des états de dispersions différents et finement controlés. L'impact de la concentration et de l'état de dispersion sur les propriétés mécaniques a été finalement étudiés / The general context of this PhD thesis is the development of highly filled polymer– silica model nanocomposites by solvent route, based on copolymers of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, denoted as P(VDF-co-HFP). Due to their unique combination of mechanical, dielectric, piezoelectric and pyroelectric properties, PVDF and VDF-copolymers combined with silica are good candidates for new advanced applications like actuation or energy harvesting. In this context, the primary objective was to understand how the filler surface chemistry and formulation parameters, as well as the solvent casting process, affect the final structure and properties of the materials. To elaborate P(VDF-co-HFP) nanocomposites with silica by solvent casting, a first step was to prepare solutions of silica and the polymer in a common solvent which will be subsequently dried. Aliphatic ketone solvents of various chain length, namely methyl ethyl ketone (MEK) and 2-heptanone, were used. For this purpose a generic approach to transfer silica nanoparticles from water to organic solvent through a transfer agent was developed. VDF-based copolymer solutions (filled or not with nanoparticles) exhibit thermoreversible gelation in ketone solvents, which may subsequently impact the processing of materials by solvent casting. Studying the phenomenology of PVDF gelation in thus of major concern for controlling the processing of those nanocomposites. No general consensus on the gelation mechanisms is found in the literature. In this context, the gelation of a semi-crystalline P(VDF-co-HFP) in MEK or 2-heptanone was studied. The gelation kinetics was investigated by tube-tilting and linear rheology. A combination of 19F Nuclear Magnetic Resonance (NMR), DSC, SAXS, WAXS and nonlinear rheology was used to probe the structure of these systems and the gelation mechanisms. 19F NMR shows the occurrence of a polymer network-like structure with rigid zones which may act as cross-links. Such a behavior is only observed in the gel state: no polymer network or rigid zones are present when the polymer solution is in the liquid state. The nature and volume fraction of the rigid zones present in the gel state were investigated with DSC and X-ray diffraction. A small crystalline fraction, which may correspond to the rigid zones, is observed in gels. In a third step, the impact of adding silica nanoparticles on the gelation kinetics of P(VDF-co-HFP) was studied. To do so, copolymer – silica gels were formulated in MEK and 2-heptanone using two sources of organic silica solutions, the one prepared previously by phase transfer and a commercial one from Nissan. We found that the presence of silica nanoparticles hardly disturbs the gelation of P(VDF-co-HFP). Conversely, the process, and more particularly the presence of residual water within the material, has a strong impact on the structure of the gels and gelation kinetics.The nonlinear rheological properties of the P(VDF-co-HFP) physical gels filled or not with silica nanoparticles were investigated in 2-heptanone only (as MEK is too volatile), using Large Amplitude Oscillatory Shear (LAOS) experiments (Chapter 5). The behavior of all materials changes from elastic at small strain to viscous at high strain amplitudes. Before abruptly changing from elastic to viscous behavior, unfilled gels exhibit strong strain-hardening. Incorporating silica nanoparticles is found to inhibit strain-hardening. In a last step, P(VDF-co-HFP) – silica solid films were obtained by solvent casting the previously prepared systems. Homogeneous materials filled up to 40 wt% of silica nanoparticles were obtained, with different and finely controlled dispersion states of nanoparticles, related to the structure of the initial gels or solutions. The impact of the concentration and dispersion state of the fillers on the mechanical performances (particularly the mechanical toughness) was investigated

Les protéines fluorescentes (PF) homologues d’AvGFP (Green Fluorescent Protein de la méduse Aequorea victoria) sont des outils incontournables de l’imagerie des processus de la cellule vivante. Leurs performances conditionnent la précision de l’analyse quantitative des signaux de fluorescence. Le développement de nouvelles PF demande donc à la fois de parvenir à une forte brillance tout en contrôlant la réponse de la protéine aux variations des paramètres physico-chimiques de la cellule en fonction de la question biologique étudiée. A ce jour, les PF jaunes disponibles montrent une forte sensibilité au pH. Afin d’élaborer des mutants moins sensibles, deux approches ont été considérées : une première consiste à mieux appréhender l’incidence de la dynamique du réseau de liaisons hydrogène entourant le chromophore sur son équilibre acido-basique. La seconde vise à identifier les facteurs structuraux à l’origine de la brillance particulièrement élevée de nouvelles PF jaunes et jaune-vert provenant d’un ver marin, Branchiostoma lanceolatum.J’ai d’abord mis au point un algorithme recherchant l’ensemble des liaisons hydrogène présentes au sein d’une protéine et qui étudie leur dynamique au cours de simulations par dynamique moléculaire. Il permet leur agrégation en réseaux, l’identification des réseaux connectés à un atome d’intérêt ainsi que le suivi de leur dynamique. Pour validation, cet algorithme a été appliqué à la recherche des réseaux de liaisons hydrogène présents au sein de différents mutants d’AvGFP pour lesquels un transfert de proton à l'état excité a été étudié expérimentalement. Cet algorithme pourra également servir à comprendre de façon dynamique le mécanisme d’autres systèmes biologiques dont la fonction repose sur le transfert de protons.D’autre part, j’ai résolu la structure de la protéine fluorescente jaune naturelle lanYFP de Branchiostoma lanceolatum, particulièrement brillante mais à la structure quaternaire tétramérique. Cette protéine a été rendue monomérique par évolution dirigée, ce qui a donné la protéine mNeonGreen à la fluorescence jaune-vert, protéine désormais étalon dans cette gamme spectrale, et dont j’ai également résolu la structure. Mon étude a permis de rationaliser a postériori l’ensemble des mutations introduites au cours de l’évolution. Enfin, j’ai réalisé une étude du dégât d’irradiation spécifique des rayons X permettant de comprendre le changement remarquable de couleur observé sur les cristaux de mNeonGreen après collecte de données de diffraction.L’ensemble des résultats obtenus au cours de ma thèse permet de proposer un cadre de compréhension à la fois théorique et expérimental des déterminants contrôlant les propriétés de fluorescence des PF jaunes. / Fluorescent Proteins (FPs) homologous to AvGFP (Green Fluorescent Protein from the jellyfish Aequoria victoria) are versatile tools used in live cell imaging. The amount of information that can be derived from the fluorescence signals depends on the spectroscopic performances of the FP. The development of new FPs should focus on both brightness increase and control of the protein response to physicochemical parameter variations within the cell. Current yellow FPs exhibit a strong sensitivity to pH. In order to engineer less sensitive variants, two complementary approaches have been used: the first one consists in studying the influence of the hydrogen bond network dynamics around the chromophore on its protonation state. In the second one, I have sought to identify the structural determinants of the particularly high brightness of newly discovered yellow FPs from a sea worm, Branchiostoma lanceolatum.First, I wrote an algorithm that can identify all hydrogen bonds within a protein and analyse their dynamics along molecular dynamics simulations. It allows for their clustering in networks, the identification of networks connected to a given atom and the monitoring of their dynamics. The method was validated by using the algorithm on various AvGFP mutants for which excited state proton transfer has been experimentally studied. This algorithm should also be useful for the study of other biological systems whose function is based on proton transfer.Besides, I solved the structure of the natural yellow FP lanYFP from Branchiostoma lanceolatum, which is particularly bright, but presents a tetrameric arrangement. This protein was monomerized by directed evolution, which led to the yellow-green FP mNeonGreen, now a benchmark in this spectral range. I also solved the structure of mNeonGreen, which allowed me to rationalize a posteriori the mutations that have been introduced during the evolution process. Finally, I performed a specific radiation damage study in order to explain the remarkable change in colour of mNeonGreen crystals upon X-ray data collection. Altogether, the results of my PhD work provides a theoretical and experimental framework of the determinants that drive the fluorescence properties of yellow FPs.

La majorité des produits verriers du marché sont issus d’une opération de mise en forme à hautes températures, suivie d’une phase de refroidissement contrôlé afin d’éliminer (verre recuit) ou générer (verre trempé) des contraintes résiduelles. Le comportement mécanique du verre étant fortement thermo-dépendant, le contrôle des températures est un élément déterminant pour le succès du procédé de fabrication. Lors de la simulation numérique, pour ce milieu semi-transparent, les échanges thermiques par conduction et par rayonnement sont à considérer. La résolution de l’ETR (Equation de Transfert Radiatif) est menée dans cette thèse par le biais de la « Méthode P1 » et le « Back Ray Tracing » (BRT). Les deux codes développés ont été validés par l’étude comparative avec les données en températures et en contraintes résiduelles issues de la littérature sur le refroidissement dans l’épaisseur du verre soumis à des conditions variées en convection naturelle et forcée. Une expérimentation qui consiste à refroidir un disque de verre sur un support métallique a été développée dans le but de comparer les températures et contraintes générées par l’expérimentation et par la modélisation issue du couplage thermomécanique avec les deux codes P1 et BRT. De manière plus originale, la méthode BRT a été étendue à des géométries de révolution. Une première approche a consisté à étudier le fluage d’une goutte de verre et à analyser l’influence du choix du modèle de résolution de l’ETR sur les températures et les géométries au cours de la mise en forme. / Most of glass products on the market come from a high-temperature forming operation, followed by a controlled cooling phase to remove (annealed glass) or generate (tempered glass) residual stresses. Since the mechanical behaviour of the glass is highly thermo-dependent, temperature control is a determining factor for the success of the manufacturing process. During numerical simulations, for this semi-transparent medium, heat exchanges by conduction and radiation have to be considered. In this work, the resolution of the ETR (radiative transfer Equation) is carried out using the "P1 method" and the "Back Ray tracing" (BRT). The two developed codes were validated by the comparative study with the temperature and residual stresses data from the literature on cooling in the thickness of the glass subject to various conditions in natural and forced convection. An experimentation which consists in cooling a glass disk on a metal support was developed in order to compare the temperatures and stresses generated by the testing and by the modelling resulting from the thermomechanical coupling with the two codes P1 and BRT. In a more original way, the BRT method was extended to revolving geometries. A first approach was to study the creep of a glass gob and to analyze the influence of the choice of the ETR's resolution model on the temperatures and geometries during the forming.

Les blocs protéiques (BP) constituent un alphabet structural qui permettent une bonne approximation du squelette carbonnée des protéines et la compression de l'information 3D en 1D. Leur utilisation a permis d'appréhender sous un nouvel angle la structure des protéines. Cette thèse explore de nouvelles applications des BP pour l'analyse des structures des protéines, leur prédiction et la reconnaissance de leurs repliements. Dans un premier temps, nous utilisons les BP pour une caractérisation fine des régions variables dans les alignements structuraux de protéines homologues. Ces régions peuvent néanmoins présenter des similarités importantes en terme de conformation. Leur caractérisation a permis de les distinguer des régions dont les conformations sont différentes. Nous montrons aussi que les variations intrinsèques de certaines régions comme les boucles au sein d’une protéine ne sont pas corrélées aux différences de conformation observées dans les régions équivalentes entre protéines homologues. Dans une deuxième partie, nous analysons la relation séquence-structure à l'aide de BP par le biais d'une base de données de pentapeptides issus des structures des protéines. Celle-ci a servi de base pour la mise en place d'outils pour la prédiction du squelette carbonnée des protéines (PB-kPRED) et de sa plasticité (PB-SVindex). Nous exposons comment ces prédictions permettent la reconnaissance du repliement des protéines avec un certain succès et l'identification de probables points chauds structuraux et fonctionnels. En dernière partie, nous présentons un nouvel algorithme (FoRSA) pour la reconnaissance du repliement des protéines à l'aide des BP. Cet algorithme s'appuie sur le calcul de la probabilité conditionnelle qu'une séquence adopte un repliement donné et a été testé avec succès sur des protéines tirées de CASP10. Nous montrons que FoRSA peut être utilisé pour l'annotation structurale rapide de génomes entiers. / Analysis of protein structures using structural alphabets has provided new insights into protein function and evolution. We have used a structural alphabet called proteins blocks (PBs) which efficiently approximates protein backbone and allows abstraction of 3D protein structures into 1D PB sequences. This thesis describes applications of PBs for protein structure analysis, prediction and fold recognition. First, PBs were used to provide a refined view of structurally variable regions (SVRs) in homologous proteins in terms of conformationally similar and dissimilar SVRs in which were compiled a database of structural alignments (DoSA). We also show that the inherent conformational variations in loop regions are not correlated to corresponding conformational differences in their homologues. Second, to further analyze sequence-structure relationships in terms of PBs and other structural features, we have set up a database of pentapeptides derived from protein structures. This served as a basis for the knowledge-based prediction of local protein structure in terms of PB sequences (PB-kPRED) and of local structure plasticity (PB-SVindex). We demonstrate the successful applications of PB-kPRED for fold recognition and explored possible identification of structural and functional hotspots in proteins using PB-SVindex. Finally, an algorithm for fold recognition using a structural alphabet (FoRSA) based on calculation of conditional probability of sequence-structure compatibility was developed. This new threading method has been successfully benchmarked on a test dataset from CASP10 targets. We further demonstrate the application of FoRSA for fast structural annotations of genomes.

Comprendre comment les mutations impactent l’activité d’une protéine reste un défi dans le domaine des sciences protéiques. Les méthodes biochimiques traditionnellement utilisées pour résoudre ce type de questionnement sont très puissantes mais sont laborieuses à mettre en œuvre. Des approches bioinformatiques ont été développées à cet égard pour surmonter ces contraintes. Dans cette thèse, nous explorons l'utilisation d'approches bioinformatiques pour comprendre le lien entre mutations et changements d'activité. Notre modèle d'étude est une enzyme bactérienne, la sucrose phosphorylase de Bifidobacterium adolescentis (BaSP). Cette glycosyl-hydrolase de la famille 13 (GH13) suscite l’intérêt de l'industrie en raison de sa capacité à synthétiser des disaccharides et des glycoconjugués originaux. Son activité consiste à transférer un glucose d'un donneur, le saccharose, à un accepteur qui peut être un monosaccharide ou un aglycone hydroxylé. La réaction enzymatique se déroule selon un mécanisme dit « double déplacement avec rétention de configuration », ce qui nécessite la formation d'un intermédiaire covalent dit glucosyl-enzyme. Cependant, la possibilité de contrôler la régiosélectivité de ce transfert pour qu'il soit applicable au niveau industriel est un enjeumajeur. Cette thèse vise d’une part, à fournir une explication rationnelle quant aux modifications de la régiosélectivité de BaSP apportées par des mutations et d’autre part à proposer un canevas pour le contrôle de la régiosélectivité de couplage en vue de la synthèse de disaccharides pré-biotiques rares comme le kojibiose et le nigerose. Dans notre approche, nous avons émis l'hypothèse que les orientations préférées de l'accepteur dans le site catalytique après formation du glycosyl-enzyme déterminent la régiosélectivité de l'enzyme. Nous avons utilisé des approches computationnelles pour étudier l'impact des mutations sur la liaison de l'accepteur à l'intermédiaire covalent, le glucosylenzyme. À cette fin, nous avons construit des modèles à l’échelle atomique du glucosyl-enzyme pour un ensemble de variants de la BaSP pour lesquels des données expérimentales étaient disponibles. Pour y parvenir, nous avons paramétré le glucosyl-aspartyle en tant que nouveau résidu et les avons intégré dans des outils de modélisation tels que Modeller et Gromacs. Nous avons évalué la pertinence de ces paramètres et les avons ensuite appliqués à la vérification de notre hypothèse de travail par le biais d’expériences d'ancrage moléculaire. La méthodologie utilisée dans ce travail ouvre la perspective de l'utilisation d'approches bioinformatiques pour l'ingénierie de la régiosélectivité de la sucrose phosphorylase et plus généralement des glycosylhydrolases possédant un mécanisme similaire. À cet égard, un pipeline de modélisation moléculaire et d'amarrage de molécules accepteurs sur des intermédiaires covalents des enzymes de cette famille (ENZO pour Optimisation d’ENZyme) a été développé au cours de cette thèse. Son application à l’ingénierie d’autres variants de BaSP est en cours. / In this thesis, we explore the usage of computational approaches for understanding the link between mutations and changes in protein activity. Our study model is a bacterial sucrose phosphorylase enzyme from Bifidobacterium adolescentis (BaSP). This glycosyl hydrolase from family 13 (GH13) has been a focus in the industry due to its ability to synthesize original disaccharides and glycoconjugates. In fact, its activity is to transfer a glucose moiety from a donor sucrose to an acceptor which can be a monosaccharide or a hydroxylated aglycone. The enzymatic reaction proceeds by a double displacement with retention of configuration mechanism whereby a covalent glucosyl-enzyme intermediate is formed. However, it is at stake to control the regioselectivity of this transfer for it to be applicable at industrial level. This thesis aimed at providing a rational explanation for the observed impact of mutations on the regioselectivity of BaSP in view of controlling the synthesis of rare pre-biotic disaccharides like kojibiose and nigerose. We hypothesized that the preferred orientations of the acceptor determines the regioselectivity of the enzyme. In that respect, we used computational approaches to investigate the impact of mutations on the binding of the acceptor to the glucosyl-enzyme intermediate. The methodology used in this work opens the perspective of using computational approaches for engineering the regioselectivity of of glycosyl hydrolases with similar mechanism.

Les dépôts intracellulaires de la protéine Tau agrégée sont la caractéristique commune des tauopathies, une famille de maladies neurodégénératives dont fait partie la maladie d’Alzheimer. Alors que les isoformes de Tau contenant trois (3R) ou quatre (4R) domaines de liaison aux microtubules sont retrouvées à des niveaux similaires dans le cerveau des individus sains, elles diffèrent au sein des inclusions intracellulaires en fonction des tauopathies. Notre étude repose sur l’identification de déterminants structuraux communs et distincts de fibres de Tau 3R et 4R. Pour cela deux approches de protéomique structurale complémentaires ont été mises au point à partir de fibres de Tau 1N3R et 1N4R produites in vitro. La première stratégie, reposant sur l’utilisation de protéolyses ménagées, nous a permis d’identifier les fragments protéolytiques qui composent un « code-barre » moléculaire propre à chaque assemblage. La seconde stratégie a utilisé un marquage chimique covalent des lysines accessibles suivi de l’analyse qualitative et quantitative des acides aminés marqués par spectrométrie de masse. Nous avons ainsi pu montrer que la partie N-terminale de la protéine était accessible au sein des fibres 1N3R et 1N4R tandis que la région C-terminale de la protéine est protégée pour Tau 1N3R et accessible au solvant pour Tau 1N4R. Nos résultats ouvrent la voie à de nouveaux outils moléculaires pour discriminer les tauopathies. / Intracellular deposits of Tau protein aggregates are the common hallmark of tauopathies, a range of neurodegenerative diseases including Alzheimer's disease. Levels of tau with three (3R) or four (4R) microtubule binding repeats are found similar in the normal adult brain, whereas they differ in neuropathological intracellular Tau inclusions, according to the type of tauopathy. Our study consists of the identification of common and different structural molecular determinants of 3R and 4R Tau fibrils. To this end, two proteomic approaches were optimized using 1N3R and 1N4R recombinant fibrils. The first strategy, using limited proteolysis, allowed us to identify the proteolytic fragments composing the molecular “bar-code” for each type of fibril. The second strategy we optimized used chemical covalent surface labelling of accessible lysines, and qualitative and quantitative analysis of the biotinylated residues using mass spectrometry. We show that, while the N-terminal part of the protein remains accessible within 1N3R and 1N4R fibrils, the C-terminal region is protected within 1N3R yet solvent accessible for 1N4R assemblies. Our results pave the way to new molecular tools to discriminate tauopathies.

La chaîne du Mayombe constitue la portion congolaise du système orogénique « Araçuaï-West Congo » qui se répartit entre la marge orientale du Brésil et la marge occidentale de l’Afrique centrale. Elle s’allonge parallèlement au littoral atlantique suivant la direction NW-SE. En tenant compte des données géochronologiques, elle se subdivise en deux domaines lithostratigraphiques : (i) le domaine paléoprotérozoïque et (ii) le domaine néoprotérozoïque. Le domaine paléoprotérozoique de la chaîne du Mayombe correspond à la partie interne de la chaîne et se caractérise par la co-existence des roches d’origine sédimentaire et magmatique déformées et métamorphisées à des degrés variés. Ces roches se répartissent en trois principaux groupes lithologiques : (i) le Groupe de la Loémé, (ii) le Groupe de la Loukoula et (iii) le Groupe de la Bikossi. L’analyse structurale des Groupes de la Loémé et de la Loukoula montre que ceux-ci sont plissés et fracturés. Dans le Groupe de la Loémé les plis présentent des axes qui s’orientent dans les directions NE-SW, NNE-SSW et N-S tandis que dans le Groupe de la Loukoula, le plissement se fait suivant la direction NE-SW. Le Groupe de la Bikossi se caractérise par des plis qui s’orientent dans les directions identifiées dans les précédants Groupes. L’étude géochimique réalisée sur les échantillons provenant du domaine paléoprotérozoïque de la chaîne du Mayombe montre que ce dernier est hétérogénique c’est-à-dire qu’il implique des terrains d’origine et de lithologie variées. La caractérisation pétrologique des ensembles lithologiques des groupes de la Loémé et de la Loukoula montre que ceux-ci sont affectés par au moins deux événements métamorphiques distincts qui se superposent. Le premier événement se traduit par des paragenèses à grenat-biotite-oligoclase dans les métapélites et par le développement de la hornblende brune dans les métabasites permettant ainsi de situer le contexte d’évolution dans le faciès des amphibolites. Le second événement s’enregistre de façon différente dans le Groupe de la Loémé et dans le Groupe de la Loukoula. Il se traduit respectivement par des assemblages à grenat-biotite-oligoclase dans les formtaions du Groupe de la Loémé et par une paragenèse à chlorite-albite-épidote dans le Groupe de la Loukoula. Les échantillons rattachés au Groupe de la Bikossi ne présentent que les traces d’un seul événement métamorphique marqué par les paragenèses à grenat-biotite-muscovite et grenat-chloritoïde-chlorite avec une température oscillant entre 510-568°C pour une pression d’environ 8 kbar. La datation U-Pb sur zircons a permis de : (i) définir les sources des matériaux détritiques ayant constitué les bassins évoluant de l’Archéen au Protérozoïque (3300-1500) ; (ii) de confirmer l’âge paléoprotérozoïque (2070-2040 Ma) du magmatisme éburnéen ainsi que l’âge néoprotérozoïque (925 Ma) des granites de type Mfoubou et Mont Kanda et (iii) mettre en évidence des perturbations du système isotopique U-Pb des zircons à 642 ± 36 Ma et 539 ± 18 Ma. Les analyses 40Ar-39Ar sur biotite, muscovite et amphibole des échantillons du domaine occidental de la chaîne du Mayombe ont fourni des âges qui situent l’événement tectono-thermique pan-africain entre 615 Ma et 496 Ma. / The Mayombe belt is the congolese part of the Araçuaï-West Congo belt system which extend from eastern margin of Brazil to western margin of central Africa. It runs parallel to the Atlantic coastline with NW-SE trend. Considering geochronological data, it is subdivided into two lithostratigraphic domains : (i) the Paleoproterozoic domain and (ii) the Neoproterozoic domain. The Paleoproterozoic domain of the Mayombe range corresponds to the inner part of the belt and is characterized by the coexistence of para and orthoderived rocks deformed and metamorphosed to varying degrees. These rocks are distributed among the three main lithological Groups : (i) the Loémé Group, (ii) the Loukoula Group and (iii) the Bikossi Group. Structural analysis of Loémé and Loukoula Groups shows folded and fractured stuctures. In the Loémé Group, folds trend NE-SW, NNE-SSW and N-S while in the Loukoula Group, the main shortening trends NE-SW. The Bikossi Group is characterized by folds oriented in the directions identified in the preceding Groups. The geochemical study carried out on samples from the Paleoproterozoic domain of the Mayombe belt shows that the latter is heterogeneous, by involving rocks of various origin and lithology. The petrological characterization of Loémé and Loukoula Groups shows that they are affected by at least two distinct metamorphic events that overlap. The first event is characterized by garnet-biotite-oligoclase parageneses in metapelites and by the development of brown hornblende in metabasites, thus allowing the evolution context to be situated in the amphibolite facies. The second event is recorded differently in Loémé Group and Loukoula Group. It consits respectively in garnet-biotite-oligoclase assemblages in the Loemé Group and in chlorite-albite-epidote paragenesis in the Loukoula Group. Samples from Bikossi Group present only traces of a single metamorphic event marked by garnet-biotite-muscovite and garnet-chloritoid-chlorite parageneses whose temperature is estimated at 510-568°C for 8 kbar of pressure. U-Pb dating of zircons allows to : (i) define the Archean-Paleoproterozoic (3300-1500Ma) sources of metasedimentary rocks (ii) confirm Paleoproterozoic (2070-2040 Ma) age of Eburnean magmatism and Neoproterozoic (925 Ma) Mfoubou and Mont Kanda type magmatism and (iii) to highlight the perturbations of zircons U-Pb isotopic system at 642 ± 36 Ma and 539 ± 18 Ma. The 40Ar-39Ar analyzes on biotite, muscovite and amphibole from samples of the western domain of Mayombe betl provided since the age range of Pan-African tectono-thermal event at 615-496 Ma.