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In this research work, silica monoliths with high porosity (83 %), double pore size distribution (20 μm and 20 nm macro- and mesopores diameters, respectively) and high surface area (370 m2 g-1) have been used as solid supports to immobilize a laccase from Trametes versicolor by covalent grafting with glutaraldehyde. Enzymatic monoliths were applied to degrade tetracycline (TC) in aqueous solutions in a tubular “Flow Through Reactor” configuration with recycling. During the first 5h of reaction at pH 7, 40–50% of TC was degraded, and then a threshold was reached. One of the hypotheses explaining this behaviour is a possible co-substrate lack (oxygen) near catalytic sites. Enzymatic monoliths were used during 75 h of sequential operation without losing activity. A mathematical model built coupling the Michaelis-Menten reaction kinetics with a dynamic mass balance allowed computing TC degradation efficiency. Simulation results revealed that the global process is controlled by the enzymatic kinetics but the monolith size could be adapted to degrade 100 % TC in a single pass., Dans ce travail de recherche, des monolithes en silice présentant une très grande porosité (83 %), une double distribution de taille de pores (des macropores de diamètre 20 μm et des méseopores de diamètre 20 nm) et une très grande surface spécifique (370 m2 g-1) ont été utilisés comme supports pour immobiliser une laccase de Trametes versicolor par greffage covalent avec du glutaraldéhyde. Les monolithes enzymatiques ont été utilisés pour dégrader la tétracycline (TC) en solution aqueuse dans un réacteur de configuration tubulaire type "Flow Through Reactor" avec recyclage. Au cours des 5 premières heures de réaction à pH 7 ; 40 à 50 % de la TC a été dégradée, puis un seuil a été atteint. Une des hypothèses pouvant expliquer ce comportement est un éventuel manque de co-substrat (oxygène) à proximité des sites catalytiques. Des monolithes enzymatiques ont été utilisés pendant 75 h de fonctionnement séquentiel sans perte d'activité. L'efficacité de la dégradation de la TC a pu être simulée à travers un modèle mathématique construit en couplant la cinétique de la réaction (Michaelis-Menten) avec un bilan matière en régime dynamique. Les résultats de la simulation ont révélé que le procédé global est contrôlé par la cinétique enzymatique mais que la taille des monolithes pouvait être adaptée pour dégrader 100 % de la CT en un seul passage à travers un monolithe.

The aim of this thesis is to develop bio-based supports for immobilization of enzymes for micro pollutants degradation in water. Gelatin beads of around 1,9 mm diameter were formed by a dripping process using no organic solvent. A crosslinking step with glutaraldehyde was then carried out with two objectives: to improve the mechanical properties of the beads when immersed in water, and to create covalent bonds between gelatin and laccase. The parameters affecting the efficiency of the enzyme grafting were investigated using a full factorial design 2^4.The degradation of two micro pollutants by the activated beads was studied in a stirred tank reactor and in a fluidized bed reactor designed for this project. Tetracycline was efficiently oxidized by the grafted enzymes. The influences of pH, recirculation flowrate, and addition of supplementary oxygen on the TC degradation were studied. Glyphosate was not sensitive to laccase oxidation at first due to its complex structure, but the addition of ABTS as an oxidoreduction mediator considerably improved its removal. Mediator and bio-catalyst were co-immobilized on the gelatin beads to reduce the environmental and economical cost of the project.; Ce travail de thèse a pour objectif l’élaboration de supports d’immobilisation d’enzymes bio sourcés en vue de la dégradation de micropolluants dans l’eau. Des billes de gélatine de diamètre moyen 1,9 mm ont été formées dans ce but par un procédé de goutte à goutte n’employant aucun solvant organique. La réticulation des billes par le glutaraldéhyde permet d’une part de limiter le gonflement de ce polymère dans l’eau et d’améliorer sa tenue mécanique en immersion, et d’autre part de créer des liaisons covalentes entre la gélatine et la laccase. Un plan d’expérience 2^4 a été réalisé afin d’identifier les paramètres influant sur l’efficacité du greffage.La dégradation de deux micropolluants par les billes activées a été étudiée en réacteur agité et dans un réacteur à lit fluidisé conçu pour ce projet. La tétracycline s’est montrée sensible à l’oxydation par les laccases greffées à la surface des billes. Divers paramètres ont été étudiés comme le pH de la solution, le débit de recirculation, ou l’addition d’oxygène dans le système. Le glyphosate s’est montré plus récalcitrant à l’action de la laccase seule à cause d’une structure plus complexe. L’ajout d’un médiateur d’oxydoréduction, l’ABTS, a néanmoins permis de faciliter son oxydation. La co-immobilisation du médiateur et du biocatalyseur sur les supports à base de gélatine a été étudiée, afin de limiter l’impact économique et environnemental du projet.

In the framework of an eco-responsible context and to take advantage of biocompatibility, notably in cosmetic and biomedical applications, we have developed new hydrogels based on neutral and anionic polysaccharides using two original routes. The first approach is biomimetic and consists of mimicking a natural development of hydrogels that is found in certain plants for which an enzyme, laccase, allows to create crosslinks by dimerization of phenolic compounds, in occurrence of ferulic acid (FA) present on arabinoxylans mucilage of cereal seeds for example. Thus, our work consisted in grafting ferulic acid via two different chemical ways that means imidazole and carbodiimide respectively for neutral or anionic polysaccharides. We functionalized three polysaccharides: pullulan or PUL (neutral model), carboxymethylpullulane or CMP (model anionic) and hyaluronic acid or HA (anionic of interest) with grafting rates of between 2 and 25%. The physicochemical study in diluted and semi-diluted regimes evidenced an associative behavior due to the amphiphilic character of the functionalized polysaccharides. The crosslinking in the presence of laccase, followed in situ thanks to rheology, has been successfully performed on the various envisaged systems with possible controls of kinetics, the final mechanical properties or the swelling of the hydrogels as a function of the neutral or charged nature of the polysaccharides, the degree of substitution in FA, the polymer concentration or the enzymatic activity. The synthesized derivatives have generally demonstrated interesting biological activities (antioxidant and cytocompatibility). The second approach is based on the possible photocrosslinking of polysaccharides (PUL, CMP and HA) functionalized by the grafting of mono or polyunsaturated fatty amine/acid (oleylamine, oleic acid and linoleic acid) via imidazole chemistry. If pullulan grafted with 2% of linoleic acid was found to be water-insoluble due to its neutral character, all other derivatives (i.e. anionic ones) with grafting rates of 3 and 10% showed good solubility in water. The physicochemical studies show a very strong associative character of these amphiphilic derivatives with the formation of physical gels in semi-diluted regime. Photocrosslinking has been demonstrated in situ thanks to rheology/UV irradiation in the presence of a Darocur 1173® photoinitiator. The preliminary results according to this photocrosslinking approach thus open interesting perspectives.; Dans un contexte de démarche écoresponsable et pour répondre aux exigences de biocompatibilité notamment dans les applications cosmétiques et biomédicales, nous avons développé de nouveaux hydrogels à base de polysaccharides neutres et anioniques en utilisant deux voies originales. La 1ère approche est biomimétique et a consisté à mimer un phénomène d’élaboration naturelle d’hydrogels que l’on retrouve chez certains végétaux pour lesquels une enzyme, la laccase, permet de créer des liens de réticulation par dimérisation des composés phénoliques (en l’occurrence de l’acide férulique FA) présents sur les arabinoxylanes des mucilages des graines de céréales par exemple. Notre travail a ainsi consisté à greffer de l’acide férulique via deux chimies différentes de type imidazole et carbodiimide respectivement pour des polysaccharides neutres ou anioniques. Nous avons ainsi fonctionnalisé trois polysaccharides : le pullulane ou PUL (neutre modèle), le carboxyméthylpullulane ou CMP (anionique modèle) et l’acide hyaluronique ou HA (anionique d’intérêt). Des taux de greffage compris entre 2 et 25% ont été obtenus. L’étude physicochimique en régimes dilué et semi-dilué a permis de mettre en évidence un comportement associatif lié au caractère amphiphile des polysaccharides fonctionnalisés. La réticulation en présence de laccase, suivie in situ en rhéologie, a été réalisée avec succès sur les différents systèmes envisagés avec des contrôles possibles de la cinétique, des propriétés mécaniques finales ou encore du gonflement des hydrogels en fonction du caractère neutre ou chargé des polysaccharides, du degré de substitution en acide férulique, de la concentration en polymère ou de l’activité enzymatique fixée. Les dérivés synthétisés ont globalement démontré des activités biologiques (antioxydante et cytocompatible) intéressantes. La deuxième approche repose sur la photoréticulation possible de polysaccharides (PUL, CMP et HA) fonctionnalisés par le greffage d’amine/acide gras mono ou polyinsaturé (oleylamine, acide oléique et linoléique) via la chimie des imidazoles. Si le pullulane modifié par l’acide linoléique à 2% s’est avéré non hydrosoluble en raison de son caractère neutre, tous les autres dérivés avec des taux de greffages de 3 et 10% ont démontré une bonne solubilité dans l’eau. Les études physicochimiques mettent en évidence un très fort caractère associatif de ces dérivés amphiphiles avec la formation de gels physiques en régime semi-dilué. La photoréticulation a été démontrée en rhéologie sous irradiation UV in situ en présence d’un photoamorceur de type Darocur 1173®. Les résultats préliminaires obtenus selon cette approche en photoréticulation ouvrent ainsi des perspectives intéressantes.

In the framework of an eco-responsible context and to take advantage of biocompatibility, notably in cosmetic and biomedical applications, we have developed new hydrogels based on neutral and anionic polysaccharides using two original routes. The first approach is biomimetic and consists of mimicking a natural development of hydrogels that is found in certain plants for which an enzyme, laccase, allows to create crosslinks by dimerization of phenolic compounds, in occurrence of ferulic acid (FA) present on arabinoxylans mucilage of cereal seeds for example. Thus, our work consisted in grafting ferulic acid via two different chemical ways that means imidazole and carbodiimide respectively for neutral or anionic polysaccharides. We functionalized three polysaccharides: pullulan or PUL (neutral model), carboxymethylpullulane or CMP (model anionic) and hyaluronic acid or HA (anionic of interest) with grafting rates of between 2 and 25%. The physicochemical study in diluted and semi-diluted regimes evidenced an associative behavior due to the amphiphilic character of the functionalized polysaccharides. The crosslinking in the presence of laccase, followed in situ thanks to rheology, has been successfully performed on the various envisaged systems with possible controls of kinetics, the final mechanical properties or the swelling of the hydrogels as a function of the neutral or charged nature of the polysaccharides, the degree of substitution in FA, the polymer concentration or the enzymatic activity. The synthesized derivatives have generally demonstrated interesting biological activities (antioxidant and cytocompatibility). The second approach is based on the possible photocrosslinking of polysaccharides (PUL, CMP and HA) functionalized by the grafting of mono or polyunsaturated fatty amine/acid (oleylamine, oleic acid and linoleic acid) via imidazole chemistry. If pullulan grafted with 2% of linoleic acid was found to be water-insoluble due to its neutral character, all other derivatives (i.e. anionic ones) with grafting rates of 3 and 10% showed good solubility in water. The physicochemical studies show a very strong associative character of these amphiphilic derivatives with the formation of physical gels in semi-diluted regime. Photocrosslinking has been demonstrated in situ thanks to rheology/UV irradiation in the presence of a Darocur 1173® photoinitiator. The preliminary results according to this photocrosslinking approach thus open interesting perspectives.; Dans un contexte de démarche écoresponsable et pour répondre aux exigences de biocompatibilité notamment dans les applications cosmétiques et biomédicales, nous avons développé de nouveaux hydrogels à base de polysaccharides neutres et anioniques en utilisant deux voies originales. La 1ère approche est biomimétique et a consisté à mimer un phénomène d’élaboration naturelle d’hydrogels que l’on retrouve chez certains végétaux pour lesquels une enzyme, la laccase, permet de créer des liens de réticulation par dimérisation des composés phénoliques (en l’occurrence de l’acide férulique FA) présents sur les arabinoxylanes des mucilages des graines de céréales par exemple. Notre travail a ainsi consisté à greffer de l’acide férulique via deux chimies différentes de type imidazole et carbodiimide respectivement pour des polysaccharides neutres ou anioniques. Nous avons ainsi fonctionnalisé trois polysaccharides : le pullulane ou PUL (neutre modèle), le carboxyméthylpullulane ou CMP (anionique modèle) et l’acide hyaluronique ou HA (anionique d’intérêt). Des taux de greffage compris entre 2 et 25% ont été obtenus. L’étude physicochimique en régimes dilué et semi-dilué a permis de mettre en évidence un comportement associatif lié au caractère amphiphile des polysaccharides fonctionnalisés. La réticulation en présence de laccase, suivie in situ en rhéologie, a été réalisée avec succès sur les différents systèmes envisagés avec des contrôles possibles de la cinétique, des propriétés mécaniques finales ou encore du gonflement des hydrogels en fonction du caractère neutre ou chargé des polysaccharides, du degré de substitution en acide férulique, de la concentration en polymère ou de l’activité enzymatique fixée. Les dérivés synthétisés ont globalement démontré des activités biologiques (antioxydante et cytocompatible) intéressantes. La deuxième approche repose sur la photoréticulation possible de polysaccharides (PUL, CMP et HA) fonctionnalisés par le greffage d’amine/acide gras mono ou polyinsaturé (oleylamine, acide oléique et linoléique) via la chimie des imidazoles. Si le pullulane modifié par l’acide linoléique à 2% s’est avéré non hydrosoluble en raison de son caractère neutre, tous les autres dérivés avec des taux de greffages de 3 et 10% ont démontré une bonne solubilité dans l’eau. Les études physicochimiques mettent en évidence un très fort caractère associatif de ces dérivés amphiphiles avec la formation de gels physiques en régime semi-dilué. La photoréticulation a été démontrée en rhéologie sous irradiation UV in situ en présence d’un photoamorceur de type Darocur 1173®. Les résultats préliminaires obtenus selon cette approche en photoréticulation ouvrent ainsi des perspectives intéressantes.

Enzymatic browning, called post mortem melanosis in crustaceans, is an enzymatic phenomenon catalyzed by proteins with phenoloxidase activities (tyronase, catecholase, laccase and hemocyanin). The use of sulfite preservatives (E220 to E228 and E539) remains at present the most widespread solution to avoid the development of this unattractive color towards consumers. But, a part of the population develops hypersensitivity reactions by consuming sulfited foods. With the objective to find an alternative to these conversators, two research axes have been planned : the biochemical characterization of the proteins responsible for post mortem melanosis in the P. monodon shrimp, then the search for inhibitory molecules. Fractionation on Phenyl Sepahrose™ CL-4B resin (HIC) followed by SDS-PAGE electrophoresis separation showed the presence of three proteins of 46, 82 and 89 kDa with mainly laccase activity. Identification by RP-HPLC-Q / TOF revealed the presence of hemocyanin only. A pH of 7.0 and a temperature between 37 and 50 °C showed the most important activities, using the enzymatic assay called "MBTH test". On the other hand, a high throughput screening of 45 potentially inhibitory molecules could be performed under standardized analysis conditions thanks to the robotic tools of the Realcat platform; Le bruissement enzymatiques, appelé mélanose post mortem chez les crustacés est un phénomène enzymatique catalysé par des protéines à activités phénoloxydases (tyronase, catécholase, laccase et hémocyanine). L'utilisation de conservateurs de type sulfites (E220 à E228 et E539) reste à l'heure actuelle la solution la plus répandue pour éviter le développement de cette coloration peu attrayante pour le consommateur. Mais une partie de la population développe des réactions d'hypersensibilité en consommant des aliments sulfités. Dans l'onbjectif de rechercher une alternative à ces conservateurs, deux axes de recherche ont été développés durant ces travaux de thèse : la caractérisation biochimique des protéines responsables de la mélanose post mortem chez la crevette P. monodon, puis la recherche de molécules inhibitrices. Un fractionnement sur résine Phenyl Sepahrose™ CL-4B (HIC) suivie d'une séparation par électrophorèse SDS-PAGE ont montré la présence de trois protéines de 46, 82 et 89 kDa à activité principalement laccase. Une identification par RP-HPLC-Q/TOF a mis en évidence la présence d'hémocyanine uniquement. Un pH de 7,0 et une température comprise entre 37 et 50 °C ont mis en évidence les activités les plus importantes, en utilisant le dosage enzymatique dit "test au MBTH". Par ailleurs, un criblage à haut débit de 45 molécules potentiellement inhibitrices a été réalisé dans des conditions d'analyses standardisées grâce à l'outil de robotique de la plateforme Realcat. Une inhibition a été mise en évidence pour 23 composés, certains étant suffisamment efficaces pour être utilisés seuls. D'autres pourraient être introduits dans un cocktail de molécules inhibitrices aux fonctionnalités complémentaires. Les résultats des tests de trempage réalisés sur des crevettes entières ont montré qu'il était indispensable de compléter les études in vitro avec des essais à l'échelle de la matrice alimentaire dans son intégralité.

Enzymatic biofuel cells are an attractive alternative for renewable electricity generation. In this work, we are focusing on the cathodic compartment of a biofuel cell using laccase, a multi-copper oxidase, as biocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) by direct electron transfer of electrons. Several strategies have been used to optimize the kinetic of ORR on graphite electrode. One strategy was to deposit thin film of amorphous carbon nitride (a-CNx) on graphite. The presence of surface amine groups then allowed the covalent grafting of the laccase. Carboxylic groups can also be produced by an electrochemical treatment. By combining several characterisation techniques, especially impedance measurements, we have demonstrated that our system behaves like microelectrodes network. For this type of electrode, we have measured a maximal current density equal to -44,6 µA/cm2. In another strategy, the surface of graphite was nanostructured by forming carbon nanowalls (CNWs) using the plasma-enhanced chemical vapour deposition technique in a CO/H2 microwave discharge. We have optimized then the APPJ functionalization conditions using experiments design. We reached current densities of the order of -1 mA/cm2. We have also studied the orientation and the kinetic of enzyme immobilisation on gold surface using PM-IRRAS technique.; Les biopiles enzymatiques constituent une alternative intéressante de production d'électricité renouvelable. On s'est intéressé dans ce travail au compartiment cathodique d'une biopile utilisant la laccase, une oxydase multi-cuivres, comme biocatalyseur pour la réduction de l'oxygène (ORR) par transfert direct des électrons. Plusieurs stratégies ont été mises en œuvre afin d'optimiser la cinétique de l'ORR sur électrode de graphite. Une des stratégies a consisté à déposer un film mince de nitrure de carbone amorphe (a-CNx) sur le graphite. La présence de groupements amines de surface a ensuite permis le greffage covalent de la laccase. Des groupements carboxyliques peuvent également être introduits par un traitement électrochimique. En alliant plusieurs techniques de caractérisation, notamment des mesures d'impédance, on a démontré que notre système se comporte comme un réseau de microélectrodes. Pour ce type d'électrode on a mesuré une densité de courant maximale de -44,6 µA/cm2. Dans une autre stratégie, la surface du graphite a été nanostructurée par formation de nanowalls de carbone (CNWs) par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. On a optimisé les conditions du traitement ultérieur de fonctionnalisation de la surface par APPJ en ayant recours à des plans d'expériences, ce qui a permis d'atteindre des densités de courants de l'ordre de -1 mA/cm2. On a également étudié l'orientation et la cinétique de greffage de l'enzyme sur une surface d'or en utilisant la technique PM-IRRAS.

An implanted biofuel cell (IBFC) is a novel device that provides the means to create electricity from glucose and oxygen, using an original architecture for the IBFC that provides efficient work inside a living organism. In the future these IBFCs will be required to power implanted devices to assist failing physiological functions in humans. The active ingredients of such IBFCs are glucose oxidase at the anode and laccase at the cathode. These enzymes are entrapped in a 3D network of conductive and insulated materials. This publication solves the issue of the sterilization of such a complex device, using gamma irradiation. A 12kGy dose was sufficient to show absence of implant infection in all the implantations performed. We also prove in vitro functioning of both bioelectrodes with a high dose of 42kGy.

This work aims at valorizing lignin, the most abundant aromatic biopolymer on earth. For that purpose, an enzymatic approach for the oxidative depolymerization of lignin was investigated in order to obtain fine chemicals. Laccase and the laccase-mediator system (LMS) were selected for the enzymatic oxidation. In the first part, optimal conditions (type of mediator, temperature, co-solvent…) were determined especially by studying reactions on lignin model molecules. These conditions were applied for the oxidation of an organosolv grass lignin. Prior to the oxidation, an organic fractionation was conducted on the lignin in order to remove the population responsible for radical coupling. Then, the lignin was oxidized by the LMS in a biphasic medium followed by a mild hydrogen peroxide treatment. This three-step process allowed the production of monomeric to trimeric aromatic compounds (as shown by SEC, HPLC, GC and LC-MS) and was successfully applied to a different organosolv lignin coming from hardwood. High yield were obtained in both cases as compared with literature results. After isolation, the obtained aromatic molecules could be of interest as precursors for the fine chemistry and polymer industries., Ces travaux de thèse visent à valoriser la lignine, biopolymère aromatique le plus abondant sur terre. Pour cela, la dépolymérisation oxydante de la lignine par voie enzymatique a été explorée afin d’obtenir des synthons aromatiques fonctionnalisés. La laccase et le système laccase médiateur (LMS) ont été sélectionnés comme système enzymatique. Dans une première partie, les paramètres réactionnels (choix du médiateurs, température, co-solvant…) de fonctionnement optimal du LMS ont été déterminés notamment via l’utilisation de molécules modèles de lignine. Ces conditions optimales ont été directement appliquées pour l’oxydation d’une lignine organosolv issue d’une plante herbacée. Une étape de fractionnement organique a été conduite sur la lignine avant oxydation afin d’éliminer les populations à l’origine de réactions de couplage. La lignine a ensuite été oxydée par le LMS en milieu biphasique, puis traitée au peroxyde d’hydrogène. Ce procédé en trois étapes a permis de générer des composés aromatiques monomères à trimères (mis en évidence par chromatographies SEC, HPLC, GC et LC-MS) et a été appliqué avec succès à une seconde lignine issue de conifère. Dans les deux cas, des rendements élevés ont été constatés comparés à ceux obtenus dans la littérature. Après isolation, les composés aromatiques produits pourraient trouver des applications comme précurseurs dans les industries de la chimie fine et des polymères.

This dissertation concerns the functionalization of the citrus pectin with phenolic compounds. A first strategy consisted in grafting the products issued from the oxidation of ferulic acid (FA), in aqueous medium (pH 7,5, 30 ° C), in the presence of the laccase of Myceliophthora thermophila (pectin F). The main objectives were to demonstrate the covalent grafting of exogenous phenols onto the polysaccharide, to collect information about the structure and the properties of the modified polymer and to compare them with the characteristics of the native one. A second strategy of functionalization was applied, based on the adsorption of FA oxidation products onto the pectin (pectin POX). Whatever the functionalization pathway, biochemical analyses showed the incorporation of phenolic compounds into the pectin. The structure and the properties of the modified pectins depended on the type of modification undergone by the polysaccharide (covalent grafting or adsorption). Structural analyses suggested that the covalent grafting of phenols involved the carboxyl groups of the pectin (ester bound) on which FA oligomers were bound. The properties of native and modified pectins (POX and F) were studied and compared aiming to highlight the changes brought by functionalization. The study of the thermal properties of pectin POX and F suggested less organized and less compact structures compared to the native one. The antioxidant activity of the modified pectins was improved whereas their hygroscopic character was decreased because of the incorporation of hydrophobic phenolic compounds. As the native pectin, the pectins POX and F presented a shear-thinning profile. However, the viscosity and the gelation rate measured for the pectin F were significantly decreased, compared with those obtained for the native pectin. The pectin POX presented an intermediate behavior. Preliminary results of assemblies demonstrated the possibility to associate the native or modified pectin to another polysaccharide, the chitosan, leading to microparticles capable to encapsulate an active ingredient such as the curcumin, Cette thèse porte sur la fonctionnalisation de la pectine de citron par des composés phénoliques. Une première stratégie a consisté à greffer les produits issus de l’oxydation de l’acide férulique (AF), en milieu aqueux (pH 7,5, 30 ° C), en présence de la laccase de Myceliophthora thermophila (obtention de pectine F). L’enjeu était de démontrer le greffage covalent de composés phénoliques exogènes sur le polysaccharide, de recueillir des informations sur la structure et les propriétés du polymère fonctionnalisé et de les comparer aux caractéristiques du polymère natif. Une deuxième stratégie de fonctionnalisation de la pectine a été envisagée, basée sur l'adsorption des produits d'oxydation de l'AF sur la pectine (obtention de pectine POX). Quel que soit le mode de fonctionnalisation, des analyses biochimiques ont montré l'incorporation de composés phénoliques dans la pectine. La structure et les propriétés des pectines modifiées dépendent du type de fonctionnalisation subie par le polysaccharide (greffage covalent ou adsorption). Des analyses structurales suggèrent que le greffage covalent de phénols fait intervenir les fonctions carboxyles de la pectine (formation de liaisons ester) sur lesquelles des oligomères d'acide férulique viendraient se lier. Les propriétés des pectines fonctionnalisées (POX et F) et de la pectine native ont été étudiées et comparées afin de mettre en évidence les changements apportés. L'étude des propriétés thermiques des différentes poudres de pectine suggèrent une structure moins organisée et moins compacte pour les polymères fonctionnalisés par rapport à la pectine native. L’activité antioxydante des pectines fonctionnalisées est améliorée tandis que leur caractère hygroscopique est diminué en raison de l'incorporation de composés phénoliques hydrophobes. De même que la pectine native, les pectines POX et F présentent un profil rhéofluidifiant. Toutefois, la viscosité et la vitesse de gélification mesurées dans le cas de la pectine F sont significativement diminuées par rapport à celles obtenues pour la pectine native. La pectine POX présente un comportement intermédiaire. Des résultats préliminaires d'assemblages ont montré qu'il est possible d'associer la pectine native ou modifiée à un autre polysaccharide, le chitosane. Les microparticules obtenues ont montré leur capacité à encapsuler un principe actif tel que la curcumine

The reduction of oxygen is realized in nature by oxidoreductase enzymes. Currently, these highly specific and efficient proteins are considered as biocatalysts for the development of biofuel cells. In this context, optimizing the orientation and the connection of multicopper oxidase (MCOs) for the reduction of O2 on functionalized carbon nanotubes was studied. In the first part of this manuscript, direct electron transfer of laccase is assessed and optimized by the non-covalent functionalization of CNTs by various hydrophobic derivatives. Electrochemical modeling and molecular dynamics enabled the rationalization of the developed biocathodes efficiency. In a second approach, the specific modification by pyrene moieties of laccases surface modified by protein engineered has also been considered. Additionally, supramolecular functionalization of CNTs by modified graphene sheets and gold nanoparticles also helped to promote laccase connection. The second part presents the development of other types of biocathodes based on the direct connection of bilirubin oxidase. Several strategies of covalent and non-covalent CNTs functionalization have been considered. The different biocathodes developed by the supramolecular assembly of nanostructured materials and MCOs delivered current density of several mA cm-2 for oxygen reduction. These new bioelectrodes combined with a bioanode which catalyzes the glucose oxidation have enabled the development of glucose/O2 enzymatic biofuel cells; delivering maximum power densities from 250 µW cm-2 to 750 µW cm-2 depending on the experimental conditions. Finally a hyperthermophilic hydrogenase based bioanode was developed and associated with a bilirubin oxidase-based biocathode to form a new design of H2/O2 biofuel cell. Within this device, the gas diffusion biocathode directly reduces oxygen from the air, which eliminates the use of a separation membrane while protecting the hydrogenase from its deactivation in the presence oxygen. This new biofuel cell delivers a maximum power density of 750 µW cm-2., Dans la nature, la réduction du dioxygène est catalysée par des enzymes de la famille des oxydoréductases. A l’heure actuelle, ces protéines spécifiques et efficaces sont envisagés comme biocatalyseurs au sein de biopile enzymatique. Dans ce contexte, l’optimisation de l’orientation et de la connexion d’oxydases multi-cuivre (MCOs) pour la réduction d’O2 sur des matrices de nanotubes carbone (CNTs) fonctionnalisées a été étudiée. Dans un premier temps, le transfert électronique direct de la laccase est optimisé par la fonctionnalisation non covalente de CNTs par divers dérivés hydrophobes. La dynamique moléculaire ainsi que la modélisation électrochimique ont permis la rationalisation des performances des différentes biocathodes développées. Dans une seconde approche, la modification spécifique par des groupements pyrène de la surface de laccases modifiées par mutagénèse a également été envisagée. La fonctionnalisation supramoléculaire de CNTs par des feuillets de graphène fonctionnalisés d’une part, et par des nanoparticules d’or d’autre part, a également permis de favoriser la connexion de laccases. La seconde partie présente l’élaboration d’autres types de biocathodes basées sur la connexion directe de bilirubines oxydases. Plusieurs stratégies de fonctionnalisation covalente et non covalente de CNTs ont été envisagées. Les différentes biocathodes élaborées par l’assemblage supramoléculaire de MCOs et de matériaux nanostructurés délivrent des densités de courant de réduction du dioxygène de plusieurs mA cm-2. Ces nouvelles bioélectrodes combinées à une bioanode qui catalyse l’oxydation du glucose ont permis le développement de biopiles enzymatiques glucose/O2 délivrant des densités maximales de puissances allant de 250 µW cm-2 à 750 µW cm-2 selon les conditions expérimentales. Enfin une bioanode à base d’une hydrogénase hyperthermophile a été développée et associée à une biocathode à base de bilirubine oxydase pour former un nouveau design de biopile H2/O2. Au sein de ce dispositif, la biocathode à diffusion de gaz réduit directement l’oxygène provenant de l’air, ce qui permet de s’affranchir de l’utilisation d’une membrane séparatrice tout en protégeant l’hydrogénase de sa désactivation en présence d’oxygène. Cette nouvelle biopile délivre une densité maximale de puissance de 750 µW cm-2.

The aim of this thesis is to investigate new biobased rigid synthons for the synthesis of polymers with high thermomechanical properties. A polycyclic biobased molecule, i.e resinic acids, and phenolic compounds potentially derived from lignin, such as vanillin were selected. Both classes of substrates were dimerized in order to get difunctional symmetric synthons. On the one hand, abietic acid dimers synthesized via a cationic mechanism presented an ill-defined structure. To avoid reactivity issues, dimers with reactive terminal double bonds were successfully synthesized by esterification of abietic acid dimers with undecenol and polymerized by ADMET methodology. On the other hand, we developed a “green” process to dimerize phenolic compounds derived from lignin in large quantity and high yield via enzymatic catalysis using a laccase. The main advantage of this method is that the phenolic monomer is soluble in the reaction medium while the dimer precipitates. After chemical modifications of the dimers, we built a functional bio-platform of biphenyl derivatives. The latter were then used for the synthesis of polyesters, polyamides and epoxy resins which exhibited remarkable thermal and thermomechanical properties., Ces travaux de thèse traitent de l’utilisation d’une molécule polycyclique, l’acide abiétique, issu de la colophane, et de dérivés phénoliques potentiellement dérivés de la lignine, pour la synthèse de polymères rigides bio-sourcés. Dans les deux cas, des monomères symétriques et difonctionnels sont élaborés par réaction de dimérisation des précurseurs bio-sourcés puis testés en polymérisation. D’une part, les dimères de l’acide abiétique obtenus par un mécanisme cationique possèdent des structures mal définies qui compliquent leur polymérisation. Ces dimères ont alors été estérifiés avec de l’undécénol afin d’obtenir un composé bis-insaturé qui est ensuite polymérisé par ADMET. D’autre part, un procédé de dimérisation de molécules phénoliques, potentiellement issues de la lignine, a été développé par voie enzymatique utilisant une laccase. L’avantage majeur de ce procédé ‘vert’ réside dans la séparation très simple entre le monomère, soluble, et son dimère, insoluble. Ces dimères ont ensuite été modifiés chimiquement afin de constituer une bio-plateforme de composés biphényles fonctionnels. Ces composés ont été utilisés pour la synthèse de polyesters, polyamides et résines époxy qui présentent des propriétés thermiques et thermomécaniques remarquables.

In order to design a bioanode working with NAD+-dependent-dehydrogenases, we have studied a molecular assembly on carbon electrodes allowing for the immobilization of nicotinic cofactors. An electopolymer of toluidin blue O (TBO) formed at the surface of vitreous carbon electrodes was used as an electrocatalyst to induce NADH oxidation by Mediated Electron Transfer (MET). In an effort to immobilize the nicotinic cofactor on the TBO electropolymer, the 3-aminophenylboronic acid (3AB) was used as a linker molecule. Surface plasmon resonance imaging (SPRi) and electrochemistry measures were carried out on gold electrodes modified by electrografted 3AB previously diazoted. These electrodes are able to immobilize the NAD+ with a molecular density of 0.3 ± 0.03 pmol.mm-2. The linear voltammetry measures have shown that in presence of formate dehydrogenase (FDH) and formate, these electrodes provide a power density of 14 μW.cm-2 at +690 mV (vs.Ag/AgCl). Next, an electrochemistry method enabling the measurement of oxidoreductase activities was developed. This method works with a device able to perform simultaneously intermittent pulse amperometry (IPA) on 96 screen-printed carbon electrodes. This device was used for the NADH oxidation by MET using electrografted redox phenazine mediators. The electrografted TBO had a NADH sensibility of 3586 ± 164 nA.mM-1. This construct was used to screen a library of FDH mutants. A p-value lower than 0.001 (p-value < 0,001, n = 77) showed a high correlation between the results obtained via electrochemical screening and colorimetric screening using PES/NBT couple (Phénazine Ethosulfate/Nitrobleu de tétrazolium). This method was also used to measure the Direct Electron Transfer (DET) with the laccase from Trametes versicolor (TvLac) adsorbed onto 96 carbon electrodes with a coefficient of variation of 22%. This DET can be measured at +100 mV (vs. Ag/AgCl) and at pH 5.4 with a linear range of adsorbed TvLac between 0.5 ng and 75 ng (corresponding to an enzymatic activity of 62 X 10-6 U et 9.37 X 10-3 U) and a sensibility of 3027 μg-1. In addition, this electrochemical device was used to evaluate the inhibitor effect of the DET of fluoride (F-) and azide (N3 -) yielding IC50 values of 280 ± 14 μM et 1.2 ± 0.4 μM. The validation of this study has subsequently allowed to initiate the establishment of a protocol screening for the directed evolution of CotA laccase from Bacillus subtilis; Afin de concevoir une bioanode fonctionnant avec les déshydrogénases à NAD+, un assemblage moléculaire permettant l'immobilisation des cofacteurs nicotiniques sur une électrode de carbone a été étudié. Un électropolymère de bleu de toluidine O (TBO) généré à la surface d'une électrode de carbone vitreux a été choisi comme électrocatalyseur pour réaliser l'oxydation du NADH par transfert indirect d'électron (MET). Afin d'immobiliser le cofacteur nicotinique sur l'électropolymère de TBO, l'acide 3-aminophénylboronique (3AB) a été utilisé comme molécule « linker ». Des mesures par imagerie de résonance plasmonique de surface (SPRi) et électrochimiques ont été réalisées sur des électrodes d'or modifiées par l'électro-greffage de 3AB préalablement diazotés. Ces électrodes sont capables d'immobiliser le NAD+ avec une densité moléculaire de 0,3 ± 0,03 pmol.mm-2. Des mesures de voltammétrie linéaire ont montré qu'en présence de formiate déshydrogénase et de formiate, ces électrodes fournissent une densité de puissance de 14 μW.cm-2 à +690 mV (vs.Ag/AgCl). Une méthode de criblage électrochimique permettant de mesurer des activités oxydoreductases à par la suite été développée. Cette méthode utilise un système capable d'effectuer simultanement des mesures ampérométriques pulsées par intermittence (IPA) sur 96 électrodes de carbone sérigraphiées sur une plaque de circuit imprimé. Il a été utilisé pour cribler par MET l'oxydation du NADH à l'aide de médiateurs redox de type phénazine électro greffés. La sensibilité au NADH est de 3586 ± 164 nA.mM-1 pour le TBO électro-greffé. Ce dernier a été utilisé pour cribler une banque de mutants de la formiate déshydrogénase. Une valeur de p inférieure à 0,001 (p-value < 0,001, n = 77) a permis de montrer une forte corrélation entre le crible électrochimique et le crible colorimétrique réalisé en présence du couple PES/NBT (Phénazine Ethosulfate/Nitrobleu de tétrazolium ). Cette méthode a également permis de mesurer le transfert direct d'électrons (DET) avec la laccase de Trametes versicolor (TvLac) adsorbée sur les 96 électrodes de carbone avec un coefficient de variation de 22%. Ce DET peut être mesuré à +100 mV (vs.Ag/AgCl) à un pH de 5,4 avec une gamme linéaire de TvLac adsorbé comprise entre 0,5 et 75 ng (correspondant à une activité enzymatique de 62. 10-6 et 9,37 10-3 U) et une sensibilité de 3027 μg-1. Cette méthode a également été utilisée pour évaluer l'effet inhibiteur du fluorure (F-) et à l'azoture (N3 -) sur ce DET avec des valeurs d'IC50 de 280 ± 14 μM et 1,2 ± 0,4 μM. La validation de cette étude à permis par la suite d'initier la mise en place d'un protocole de criblage pour l'évolution dirigée de la laccase CotA de Bacillus subtilis

Oxidation of ferulic acid and its ester (ethyl ferulate) by Myceliophtora thermophila laccase has been studied in aqueous medium under mild experimental conditions (30°C and pH 7.5) as a green process to synthesize natural neo-molecules. Enzymatic oxidation led to colored and colorless intermediaries for ferulic acid and ethyl ferulate, respectively. Additionally, ethyl ferulate was oxidized faster than ferulic acid. This procedure has led to dimeric major products with MM = 443 g/mol and MM = 386 g/mol for ethyl ferulate and ferulic acid, respectively. New synthesized molecules demonstrated important antioxidants properties with weak antibacterial and cytotoxic properties. With insoluble chitosan particles in the reaction medium, laccase was protected from inhibition due to oxidation products and the polymerization degree of these products was checked. In addition, the oxidation products reacted with the free NH2 groups forming covalent bonds of Schiff base type (C=N) at C-2 region. The majority of the oxidation products grafted onto chitosan was of dimeric form. This procedure led to colored and colorless chitosans by ferulic acid and ethyl ferulate, respectively, with new properties due to grafting of phenolic compounds. These chitosan derivatives presented interesting functional properties such as antioxidant, physico-chemical (thermal stability) and biological (cell adhesion) as well as the preservation of antibacterial properties of native chitosan, L'oxydation de l'acide férulique et de son ester (le férulate d'éthyle) par la laccase de Myceliophtora thermophila a été étudiée en milieu aqueux et dans des conditions expérimentales douces (30 °C et pH 7,5) afin de synthétiser de nouvelles molécules naturelles grâce à un procédé vert. L'oxydation enzymatique a permis l'obtention d'intermédiaires colorés pour l'acide férulique et incolores pour le férulate d'éthyle. En outre, le férulate d'éthyle a été plus rapidement totalement oxydé que l'acide férulique. De plus, cette procédure a abouti à des produits majoritairement dimériques avec MM = 443 g/mol et MM = 386 g/mol pour le férulate d'éthyle et l'acide férulique, respectivement. Les nouvelles molécules synthétisées ont présenté des propriétés antioxydantes importantes avec de faibles propriétés antibactériennes et cytotoxiques. En présence du chitosane insoluble dans le milieu réactionnel, la laccase a été protégée de l'inhibition liée aux produits d'oxydation et le degré de polymérisation de ces produits a été contrôlé. De plus, les produits d'oxydation ont réagi avec les groupements NH2 libres permettant la formation de liaisons covalentes de type base de Schiff (C=N) au niveau du C2 sur le chitosane. La majorité des produits d'oxydation greffés sur le chitosane était de forme dimérique. Cette procédure a permis d'obtenir du chitosane coloré avec l'acide férulique et incolore avec le férulate d'éthyle tout en présentant de nouvelles propriétés dues au greffage de composés phénoliques. Ces chitosanes dérivés ont présenté des propriétés fonctionnelles intéressantes telles que antioxydantes, physico-chimiques (stabilisation thermique) et biologiques (adhésion cellulaire) ainsi que la conservation des propriétés antibactériennes du chitosane natif

Oxidation of ferulic acid and its ester (ethyl ferulate) by Myceliophtora thermophila laccase has been studied in aqueous medium under mild experimental conditions (30°C and pH 7.5) as a green process to synthesize natural neo-molecules. Enzymatic oxidation led to colored and colorless intermediaries for ferulic acid and ethyl ferulate, respectively. Additionally, ethyl ferulate was oxidized faster than ferulic acid. This procedure has led to dimeric major products with MM = 443 g/mol and MM = 386 g/mol for ethyl ferulate and ferulic acid, respectively. New synthesized molecules demonstrated important antioxidants properties with weak antibacterial and cytotoxic properties. With insoluble chitosan particles in the reaction medium, laccase was protected from inhibition due to oxidation products and the polymerization degree of these products was checked. In addition, the oxidation products reacted with the free NH2 groups forming covalent bonds of Schiff base type (C=N) at C-2 region. The majority of the oxidation products grafted onto chitosan was of dimeric form. This procedure led to colored and colorless chitosans by ferulic acid and ethyl ferulate, respectively, with new properties due to grafting of phenolic compounds. These chitosan derivatives presented interesting functional properties such as antioxidant, physico-chemical (thermal stability) and biological (cell adhesion) as well as the preservation of antibacterial properties of native chitosan, L'oxydation de l'acide férulique et de son ester (le férulate d'éthyle) par la laccase de Myceliophtora thermophila a été étudiée en milieu aqueux et dans des conditions expérimentales douces (30 °C et pH 7,5) afin de synthétiser de nouvelles molécules naturelles grâce à un procédé vert. L'oxydation enzymatique a permis l'obtention d'intermédiaires colorés pour l'acide férulique et incolores pour le férulate d'éthyle. En outre, le férulate d'éthyle a été plus rapidement totalement oxydé que l'acide férulique. De plus, cette procédure a abouti à des produits majoritairement dimériques avec MM = 443 g/mol et MM = 386 g/mol pour le férulate d'éthyle et l'acide férulique, respectivement. Les nouvelles molécules synthétisées ont présenté des propriétés antioxydantes importantes avec de faibles propriétés antibactériennes et cytotoxiques. En présence du chitosane insoluble dans le milieu réactionnel, la laccase a été protégée de l'inhibition liée aux produits d'oxydation et le degré de polymérisation de ces produits a été contrôlé. De plus, les produits d'oxydation ont réagi avec les groupements NH2 libres permettant la formation de liaisons covalentes de type base de Schiff (C=N) au niveau du C2 sur le chitosane. La majorité des produits d'oxydation greffés sur le chitosane était de forme dimérique. Cette procédure a permis d'obtenir du chitosane coloré avec l'acide férulique et incolore avec le férulate d'éthyle tout en présentant de nouvelles propriétés dues au greffage de composés phénoliques. Ces chitosanes dérivés ont présenté des propriétés fonctionnelles intéressantes telles que antioxydantes, physico-chimiques (stabilisation thermique) et biologiques (adhésion cellulaire) ainsi que la conservation des propriétés antibactériennes du chitosane natif

L’intérêt général pour les bioénergies a conduit au développement de biocarburants de seconde génération via l’utilisation de biomasse lignocellulosique. Afin d’en apprendre davantage sur les gènes impliqués dans les propriétés du bois, des espèces à croissance rapide tel que le peuplier ont été étudiées et transformées génétiquement. Nous nous intéressons dans un premier temps à l’endroit où s’est inséré l’ADN-T d’Agrobacterium tumefaciens chez des peupliers transgéniques : c’est la caractérisation du (des) site(s) d’insertion. Cette méthode a d’abord été mise au point sur certaines lignées connues du laboratoire, comme FAS13. Nous avons pu constater, chez FAS13, qu’un ADN-T s’est inséré dans le chromosome 6 au niveau d’un gène d’ubiquitine Potri.006G129600. En parallèle, une analyse est réalisée sur des peupliers transgéniques sur-exprimant miR397a, afin de voir si ce micro-ARN a un impact sur l’expression de gènes codant des laccases. L’expression de 4 laccases représentatives, PtrLAC1, PtrLAC15, PtrLAC16 et PtrLAC42, est suivie grâce à la RT-PCR semi-quantitative et la RT-PCR quantitative chez ces plants transgéniques. Trois de ces lignées sur-exprimant miR397a ont une diminution de l’expression des gènes codant pour les quatre laccases étudiées. Le but est désormais de caractériser les sites d’insertion de ces lignées., The global interest in bio-energy has led to the development of second-generation biofuels through the use of lignocellulosic biomass. To learn more about the genes involved in wood properties, fast-growing tree species such as poplar were studied and genetically transformed. Firstly, we are interested in the place where the T-DNA of Agrobacterium tumefaciens is inserted in transgenic poplars: it’s the characterization of the insertion site. This method was developed on some known strains of the laboratory, for example FAS13. We have seen, in FAS13, that a T-DNA is inserted into the 6th chromosome, in the ubiquitin gene Potri.006G129600. In parallel, an analysis is performed on transgenic poplars over-expressing miR397a, to observe any impact of this miRNA on the expression of genes encoding laccases. The expression of four representative laccases, PtrLAC1, PtrLAC15, PtrLAC16 and PtrLAC42, are followed by semi-quantitative RT-PCR and quantitative RT-PCR in these transgenic plants. Three of these lines over-expressing miR397a have decreased expression of genes coding for the four laccases studied. The aim now is to characterize the insertion sites of these lines.

The aim of this project is to manufacture an enzymatic biocathode using a laccase that catalyzes the reduction of oxygen to water. In-house produced and purified Laccase from T. versicolor has been selected due to its stability and high redox potential. The laccase was immobilized by covalent bonding (NHS/EDC method) or by adsorption on the functionalized surface of an electrode. The laccase activity in presence of ABTS and the current output without a mediator were evaluated. The direct electron transfer (DET) was achieved between the electrode and the immobilized laccase. To functionalize the carbon electrode surfaces, two functionalization approaches have been investigated. Firstly, the electrodes surfaces were electrochemically functionalized with amine or carboxylic groups using diazonium salt. The laccase was then covalently immobilised on carboxylic functionalised surfaces. Dioxygen reduction was performed by DET and a current density of 25,1±6,1 µA∙cm-2 was obtained. Using an oxidized laccase improved the biocathode performance and allowed to reach a current density of 166,8±21,4 µA∙cm-2. Secondly, for the first time the plasma treatment approach as an innovative, simple and rapid strategy for the chemical functionalization of graphite carbon electrodes was studied. Different plasma parameters were investigated. Depending on the plasma type (air, O2 and N2), carboxylic, carbonyl and amine/amide functionalities were generated. Dioxygen reduction was also performed by DET. The highest current density of 108 µA∙cm-2 was recorded for covalently immobilized laccase on N2 plasma treated surfaces, L'objectif de ce projet est de développer une biocathode enzymatique en utilisant une laccase qui catalyse la réduction de dioxygène en eau. La laccase de T. Versicolor produite au laboratoire a été choisie sur la base de sa bonne stabilité et son potentiel redox élevé. Cette laccase a été immobilisée par liaison covalente (EDC/NHS) ou par adsorption sur la surface d'une électrode de carbone fonctionnalisée. L'activité de laccase en présence d'ABTS et le courant de réduction d'O2 ont été évalués. Le transfert direct d'électrons (TED) a eu lieu entre l'électrode et la laccase immobilisée. Pour fonctionnaliser les surfaces des électrodes de carbone deux approches ont été étudiées. Dans une première approche, les surfaces ont été électrochimiquement fonctionnalisées par réduction de sel de diazonium pour générer des groupements amines ou carboxyliques. La laccase a été ensuite immobilisée par une liaison covalente sur des surfaces fonctionnalisées par des groupements carboxyliques et le courant a atteint une densité de 25,1±6,1 µA∙cm-2. L'oxydation de cette laccase a permis d'atteindre une densité de courant de 166,8±21,4 µA∙cm-2. Une autre stratégie de fonctionnalisation des électrodes qui consiste en traitement des surfaces par plasma a été étudiée. Le procédé plasma est innovant, simple et rapide. Différentes paramètres du plasma ont été étudiés. Selon le type de plasma (air, O2 et N2), des groupements carboxyliques, carbonyles et amines/amides ont été générés. La réduction d'O2 a également été effectuée par TED. Une densité de courant de l'ordre de 108 µA∙cm-2, a été obtenue pour la laccase immobilisée d'une façon covalente sur des surfaces traitées par plasma N2.

L’objectif général de cette thèse est de développer une plateforme d’immobilisation d’enzymes efficace pour application en biopile. Grâce à la microencapsulation ainsi qu’au choix judicieux des matériaux polymériques pour la fabrication de la plateforme d’immobilisation, l’efficacité du transfert électronique entre l’enzyme encapsulée et l’électrode serait amélioré. Du même coup, les biopiles employant cette plateforme d’immobilisation d’enzymes pourrait voir leur puissance délivrée être grandement augmentée et atteindre les niveaux nécessaires à l’alimentation d’implants artificiels pouvant remplacer des organes telque le pancréas, les reins, le sphincter urinaire et le coeur. Dans un premier temps, le p-phénylènediamine a été employé comme substrat pour la caractérisation de la laccase encapsulée dans des microcapsules de poly(éthylèneimine). La diffusion de ce substrat à travers les microcapsules a été étudiée sous diverses conditions par l’entremise de son oxidation électrochimique et enzymatique afin d’en évaluer sa réversibilité et sa stabilité. La voltampérométrie cyclique, l’électrode à disque tournante (rotating disk electrode - RDE) et l’électrode à O2 ont été les techniques employées pour cette étude. Par la suite, la famille des poly(aminocarbazoles) et leurs dérivés a été identifée pour remplacer le poly(éthylèneimine) dans la conception de microcapsules. Ces polymères possèdent sur leurs unités de répétition (mono- ou diamino) des amines primaires qui seraient disponibles lors de la polymérisation interfaciale avec un agent réticulant tel qu’un chlorure de diacide. De plus, le 1,8-diaminocarbazole (unité de répétition) possède, une fois polymérisé, les propriétés électrochimiques recherchées pour un transfert d’électrons efficace entre l’enzyme et l’électrode. Il a toutefois été nécessaire de développer une route de synthèse afin d’obtenir le 1,8-diaminocarbazole puisque le protocole de synthèse disponible dans la littérature a été jugé non viable pour être utilisé à grande échelle. De plus, aucun protocole de synthèse pour obtenir du poly(1,8-diaminocarbazole) directement n’a été trouvé. Ainsi, deux isomères de structure (1,6 et 1,8-diaminocarbazole) ont pu être synthétisés en deux étapes. La première étape consistait en une substitution électrophile du 3,6-dibromocarbazole en positions 1,8 et/ou 1,6 par des groupements nitro. Par la suite, une réaction de déhalogénation réductive à été réalisée en utilisant le Et3N et 10% Pd/C comme catalyseur dans le méthanol sous atmosphère d’hydrogène. De plus, lors de la première étape de synthèse, le composé 3,6-dibromo-1-nitro-carbazole a été obtenu; un monomère clé pour la synthèse du copolymère conducteur employé. Finalement, la fabrication de microcapsules conductrices a été réalisée en incorporant le copolymère poly[(9H-octylcarbazol-3,6-diyl)-alt-co-(2-amino-9H-carbazol-3,6-diyl)] au PEI. Ce copolymère a pu être synthétisé en grande quantité pour en permettre son utilisation lors de la fabrication de microcapsules. Son comportement électrochimique s’apparentait à celui du poly(1,8-diaminocarbazole). Ces microcapsules, avec laccase encapsulée, sont suffisamment perméables au PPD pour permettre une activité enzymatique détectable par électrode à O2. Par la suite, la modification de la surface d’une électrode de platine a pu être réalisée en utilisant ces microcapsules pour l’obtention d’une bioélectrode. Ainsi, la validité de cette plateforme d’immobilisation d’enzymes développée, au cours de cette thèse, a été démontrée par le biais de l’augmentation de l’efficacité du transfert électronique entre l’enzyme encapsulée et l’électrode., The main objective of this thesis is the development of a conductive enzyme immobilisation template for laccase through microencapsulation allowing an efficient electron transfer between the enzyme and the electrode for application in biofuel cells. First, p-phenylenediamine was used as substrate for the characterisation of the microencapsulated laccase. The diffusion of this substrate through the microcapsules was studied under various conditions by means of its electrochemical and enzymatic oxidation processes in order to assess its reversibility and stability. Cyclic voltammetry, rotating disk electrode and Clark electrode were the techniques used in this study. Moreover, poly(aminocarbazole) compounds and their derivatives were identified to replace poly(ethyleneimine) in the fabrication of the microcapsules. These polymers exhibit primary amines (mono- or di-amino) that could be available for an interfacial polymerisation using a cross-linker agent. Also, the monomer 1,8-diaminocarbazole presents the desired electrochemical propreties for an efficient electron transfer between the enzyme and the electrode. Therefore, a synthetic pathway was developed in order to synthesise this monomer since the available literature protocol was considered inappropriate for large scale synthesis. As for the direct synthesis of the poly(1,8-diaminocarbazole), to our knowledge, there is no protocol currently available. Two structural isomers (1,6 and 1,8-diaminocarbazole) were thus synthesised in two steps. The first step consists in the electrophilic substitution of 3,6-dibromocarbazole in 1,8 and/or 1,6 positions by nitro groups. This step was followed by a dehydrodehalogenation reaction that comes along with reduction of nitro to amino functions using Et3N and 10% Pd/C as the catalyst in methanol under H2 flux. During the first step, the 3,6-dibromo-1-nitro-carbazole was also obtained and appeared to be an efficient monomer in the synthesis of the desired conductive copolymer. Finally, the fabrication of the conductive microcapsules was realised by adding the copolymer poly[(9H-octylcarbazol-3,6-diyl)-alt-co-(2-amino-9H-carbazol-3,6-diyl)] to the PEI. This copolymer was synthesised in large quantities, which allowed its use in the design of microcapsules. Its electrochemical behaviour was similar in many ways to the one of poly(1,8-diaminocarbazole). These conductive microcapsules were then used to modify the surface of a platinum electrode to fabricate the bioelectrode. The main objective of this project was achieved through this final step.

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG., The main objective of this research is the development of a commercial biosensor immobilized on paper surfaces, able to produce a colorimetric signal detected by human sensorial limits. This kind of biosensor could be used, for example, in the detection of toxic substances or pathogens. To achieve this objective, microencapsulated enzymes fixed on paper are proposed. Enzymes are biological catalysts with a high selectivity that can accelerate the speed of some chemical reactions up to a million times. However, the enzymes are very sensitive substances that lose their functionality easily; it is therefore necessary to protect them from conditions that could damage them. Microencapsulation is a technique that protects the enzymes without totally isolating them from their environment. In fact, microencapsulation entraps the enzymes into a micron size sphere, made of a porous polymer which prevents the enzyme to be released but allows the diffusion of its substrate inside. The microencapsulation process consists in making an emulsion containing a polymer dissolved in an aqueous phase with the desired enzyme, and the wall of the microcapsule is formed by adding a crosslinking agent that forms a polymer network at the interface of the emulsion. The crosslinked polymer solidifies and it encloses the enzyme in the interior of the capsule. Thereafter, this kind of microcapsules are used to give biosensor properties to the paper. Blade coating technique is used in order to immobilize the enzyme capsules on paper because it is the most widely used method in the paper industry. The microcapsules are mixed with a coating suspension and applied on sheets of paper. The viscosity parameters of the suspension and those of the coating are optimized to obtain a uniform coating in order to meet the industry standards. Bioactive paper obtained is first studied to assess whether the enzymes are still active or not after all the treatments because, as described above, enzymes are iii very sensitive substances. An enzyme known as laccase is used, which allows an easy evaluation of its activity. Enzymatic activity was evaluated through existing analytical techniques or new analysis techniques developed in the Rochefort lab. The results demonstrate the possibility to transfer microencapsulated enzyme systems onto paper by blade coating, by using large scale settings, with paper surfaces of 0.75 x 3 m2 modified at speeds ranging up to 800 m/min. Biosensors retained their activity, despite a drying process by evaporation of water using an IR lamp of 36 kW. The microencapsulation technique proposed here is an effective technique to increase the storage stability of the biosensor and its resistance to exposure to NaN3, which is a known inhibitor of this biosensor. This research is part of a national effort in order to develop a commercial device called bioactive paper; it is supported by the NSERC research network Sentinel.

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

This work aims to study the effect of diafiltration and enzymatic polymerization on the heterogeneity, the chemical composition and physicochemical properties of lignosulfonates in solution. Membrane fractionation process was carried out by diafiltration. The lignosulfonates were fractionated into five fractions with different molecular weights and polydispersity ranging from 1400 g mol-1 to 19500 g mol-1 and from 1.4 to 3.5, respectively. The results indicate that diafiltration allows obtaining fractions which have enhanced and/or different properties from unfractionated product and a less heterogeneous distribution. Fractions with a weight average molecular weight between 2500 g mol-1 and 4300 g mol-1 have the largest concentration of hydroxyl and sulfonic groups which affect their properties, since they exhibit surface and antioxidant activities higher than unfractionated lignosulfonates. The enzymatic polymerization of lignosulfonates by laccase was studied in the presence or absence of mediator. The polymerization of lignosulfonates was observed as a product of their oxidation by SEC. The main factors influencing the polymerization of lignosulfonates are (i) a very high concentration of lignosulfonates (ii) the use of fungal laccases (laccase from Trametes versicolor) with a high redox potential (iii) the use of acetosyringone or violuric acid as mediator. The effect of the reactor mode (batch, continuous and semi continuous) of the polymerization of lignosulfonates has been reported. Comparison of the results of the three modes has shown that the continuous mode led to a significant increase in molecular weight (30600 Da) and the largest decrease of the polydispersity of the synthesized polymers (3.7). Thus, this mode of conducting the reaction is more suitable for homogeneous products., Ce travail a pour objectif d'étudier l'effet de la diafiltration et de la polymérisation enzymatique sur l'hétérogénéité, la composition chimique et les propriétés physico-chimiques des lignosulfonates en solution. Le fractionnement par procédé membranaire a été mené par diafiltration. Les lignosulfonates ont été fractionnés en cinq fractions de différents poids moléculaire et polydispersité variant de 1400 g.mol-1 à 19500 g.mol-1 et de 1,4 à 3,5 respectivement. Les résultats indiquent que la diafiltration permet d'obtenir des fractions qui présentent des propriétés augmentées et/ou différentes du produit non fractionnés et une distribution moins hétérogène. Les fractions de poids moléculaire en poids de 2500 g.mol-1 et 4300 g.mol-1 ont la plus grande concentration en groupements hydroxyles et sulfoniques, ce qui affecte leurs propriétés, puisqu'elles présentent des activités de surface et antioxydantes supérieures aux lignosulfonates non fractionnés. La polymérisation enzymatique des lignosulfonates par la laccase a été étudiée en présence ou en absence de médiateur. La polymérisation des lignosulfonates a été constatée comme produit de leurs oxydations (SEC). Les principaux facteurs influant sur la polymérisation des lignosulfonates sont (i) une très grande concentration en lignosulfonates, (ii) l'utilisation des laccases fongiques (laccase de Trametes versicolor) avec un potentiel redox élevé et (iii) l'utilisation de l'acétosyringone ou l'acide violurique comme médiateur. L'effet du mode de conduite (discontinu, continu et semi continu) de la réaction de polymérisation des lignosulfonates a été rapporté. La comparaison des résultats des trois modes de mise en oeuvre a indiqué que le mode en continu conduit à une augmentation importante du poids moléculaire (30600 Da) et à la diminution la plus importante de la polydispersité des polymères synthétisés (3,7). Ainsi, ce mode de conduite de la réaction est plus adapté pour obtenir des produits homogènes.

This work aims to study the effect of diafiltration and enzymatic polymerization on the heterogeneity, the chemical composition and physicochemical properties of lignosulfonates in solution. Membrane fractionation process was carried out by diafiltration. The lignosulfonates were fractionated into five fractions with different molecular weights and polydispersity ranging from 1400 g mol-1 to 19500 g mol-1 and from 1.4 to 3.5, respectively. The results indicate that diafiltration allows obtaining fractions which have enhanced and/or different properties from unfractionated product and a less heterogeneous distribution. Fractions with a weight average molecular weight between 2500 g mol-1 and 4300 g mol-1 have the largest concentration of hydroxyl and sulfonic groups which affect their properties, since they exhibit surface and antioxidant activities higher than unfractionated lignosulfonates. The enzymatic polymerization of lignosulfonates by laccase was studied in the presence or absence of mediator. The polymerization of lignosulfonates was observed as a product of their oxidation by SEC. The main factors influencing the polymerization of lignosulfonates are (i) a very high concentration of lignosulfonates (ii) the use of fungal laccases (laccase from Trametes versicolor) with a high redox potential (iii) the use of acetosyringone or violuric acid as mediator. The effect of the reactor mode (batch, continuous and semi continuous) of the polymerization of lignosulfonates has been reported. Comparison of the results of the three modes has shown that the continuous mode led to a significant increase in molecular weight (30600 Da) and the largest decrease of the polydispersity of the synthesized polymers (3.7). Thus, this mode of conducting the reaction is more suitable for homogeneous products., Ce travail a pour objectif d'étudier l'effet de la diafiltration et de la polymérisation enzymatique sur l'hétérogénéité, la composition chimique et les propriétés physico-chimiques des lignosulfonates en solution. Le fractionnement par procédé membranaire a été mené par diafiltration. Les lignosulfonates ont été fractionnés en cinq fractions de différents poids moléculaire et polydispersité variant de 1400 g.mol-1 à 19500 g.mol-1 et de 1,4 à 3,5 respectivement. Les résultats indiquent que la diafiltration permet d'obtenir des fractions qui présentent des propriétés augmentées et/ou différentes du produit non fractionnés et une distribution moins hétérogène. Les fractions de poids moléculaire en poids de 2500 g.mol-1 et 4300 g.mol-1 ont la plus grande concentration en groupements hydroxyles et sulfoniques, ce qui affecte leurs propriétés, puisqu'elles présentent des activités de surface et antioxydantes supérieures aux lignosulfonates non fractionnés. La polymérisation enzymatique des lignosulfonates par la laccase a été étudiée en présence ou en absence de médiateur. La polymérisation des lignosulfonates a été constatée comme produit de leurs oxydations (SEC). Les principaux facteurs influant sur la polymérisation des lignosulfonates sont (i) une très grande concentration en lignosulfonates, (ii) l'utilisation des laccases fongiques (laccase de Trametes versicolor) avec un potentiel redox élevé et (iii) l'utilisation de l'acétosyringone ou l'acide violurique comme médiateur. L'effet du mode de conduite (discontinu, continu et semi continu) de la réaction de polymérisation des lignosulfonates a été rapporté. La comparaison des résultats des trois modes de mise en oeuvre a indiqué que le mode en continu conduit à une augmentation importante du poids moléculaire (30600 Da) et à la diminution la plus importante de la polydispersité des polymères synthétisés (3,7). Ainsi, ce mode de conduite de la réaction est plus adapté pour obtenir des produits homogènes.

Arabidopsis seeds accumulate flavonoids (proanthocyanidins and flavonols) during their development. A previous study has shown that a laccase (AtLAC15) encoded by the TRANSPARENT TESTA 10 (TT10) gene could trigger flavonoid oxidation in the seed coat. If both proanthocyanidins (PAs) and flavonols appear to be TT10 protein substrates, only PA oxidation leads to brown pigments responsible for the mature seed coat color. An important consequence of TT10 activity on seed flavonoid metabolism is an increased ratio of insoluble to soluble PAs. The physiological functions of TT10 are still unknown, however defense against biotic and abiotic stresses, either constitutive or induced, may be predicted on the basis of present knowledge on polyphenoloxidases. The purpose of this thesis was to perform a functional characterization of the TT10 gene. A part of the work was devoted to the analysis of the regulatory mechanisms controlling the developmental pattern of TT10 gene expression in seeds and vegetative plant parts. The functional 5’-dissection of a 2.0-kb promoter realized with the uidA reporter gene encoding b-glucuronidase (GUS) was performed to identify regions responsible for activation in seed and other plant organs. TT10 promoter happens to be activated exclusively in seed coat and siliques. Directed mutagenesis was undertaken to precise the regulatory role of in silico-detected cis-acting regulatory elements (CAREs) located in a 194-bp region necessary for expression in seed coat. TT10 gene expression assessed in different tissues at various stages of development using qRT-PCR matched promoter activity pattern. Natural variation for TT10 expression among Arabidopsis accessions was also detected, with the levels of TT10 mRNA in Cvi, Ler and Sha being strongly reduced compared to the ones in Ws, Col and Bay. The impact of this molecular polymorphism on seed flavonoid composition, as analyzed on mature seeds with LC-MS, is discussed. In silico analysis of the TT10 promoter revealed the presence of putative CAREs potentially involved in signaling and response to biotic and abiotic stresses. However histochemical analysis of GUS activity in transgenic Arabidopsis plantlets expressing pTT102:0 kb : GUS failed to detect any ectopic activity when submitted to a variety of stresses. This result suggests that transcriptional response to environmental stimuli is highly constrained by developmental parameters. TT10 appeared to be the only member of the laccase gene family to be strongly expressed in seeds. TT10 function may have evolved towards flavonoid oxidation by co-localization with these substrates, which is ensured by tissue-specific gene expression.; Les graines d’Arabidopsis accumulent des flavonoïdes (proanthocyanidines et flavonols) durant leur développement. Une étude précédente a montré qu’une laccase (AtLAC15) codée par le gène TRANSPARENT TESTA 10 (TT10) induisait l’oxydation des flavonoïdes au niveau des téguments. Si les proanthocyanidines (PAs) et les flavonols sont des substrats de la protéine TT10, seule l’oxydation des PAs conduit à la formation de pigments bruns responsables de la couleur de la graine mature. Une importante conséquence de l’activité de TT10 sur les flavonoïdes de la graine est l’augmentation du rapport PAs insolubles / PAs solubles. Les fonctions physiologiques de TT10 sont toujours inconnues, mais un rôle dans la défense contre des stress biotiques et abiotiques constitutifs ou induits peut être prédit sur la base des connaissances actuelles sur les polyphénoloxydases. L’objectif de cette thèse était de réaliser une analyse fonctionnelle du gène TT10. Une partie de l’étude était consacrée à l’analyse des mécanismes de régulation contrôlant le pattern développemental d’expression du gène TT10 dans les graines et les parties végétatives. Une dissection fonctionnelle en 5’ d’un promoteur de 2.0-kb réalisée à l’aide du gène rapporteur uidA codant la b-glucuronidase (GUS) a été réalisée pour identifier les régions responsables de l’activation du promoteur dans les graines et les autres parties de la plante. Le promoteur de TT10 est activé exclusivement dans les téguments de la graine et les siliques. Une mutagénèse dirigée a été réalisée dans une région de 194 pb nécessaire à l’expression dans les téguments, pour préciser la fonctionnalité des éléments régulateurs agissant en cis (ERACs) identifiés in silico. L’expression du gène TT10 mesurée par qRT-PCR dans différents tissus et à différents stades de développement est en accord avec le pattern d’activité du promoteur. Une variation naturelle pour l’expression de TT10 a aussi été détectée parmi plusieurs accessions d’Arabidopsis, avec des niveaux d’ARNm mesurés chez Cvi, Ler et Sha fortement réduits par rapport à ceux relevés chez Ws, Col et Bay. L’impact de ce polymorphisme moléculaire sur la composition en flavonoïdes de la graine, analysée sur graines matures par LC-MS, est discuté. L’analyse in silico du promoteur de TT10 a révélé la présence d’ERACs potentiellement impliqués dans la signalisation et la réponse aux stress biotiques et abiotiques. Cependant l’analyse histochimique de l’activité GUS de plantes transgéniques exprimant pTT102:0 kb : GUS n’a pas permis de détecter d’activité ectopique en présence de stress variés. Ce résultat suggère que la réponse transcriptionnelle aux stimuli environnementaux est fortement conditionnée par les paramètres développementaux. TT10 est le seul membre de la famille des laccases à être exprimé fortement dans les graines. La fonction de TT10 a probablement évolué vers l’oxydation des flavonoïdes par la co-localisation avec ces substrats, qui est assurée par la spécificité tissulaire d’expression du gène.

The laccase of Myceliophtora thermophila oxidizes some hydroxycinnamic acids with ephemeral formation of intermediates of different colors before these evolve spontaneously in dark brown polymers. When this oxidation is performed in biphasique medium (phosphate buffer pH 7.5 and ethyl acetate), a part of these colored intermediates can be recovered in the organic phase and it can be subtracted from an ulterior polycondensation. In the case of ferulic acid, we could isolate an orange yellow fraction, which is especially composed of dimers resulting from the condensation of the semiquinones initially formed. The synthesis of these colorants can be enhanced and their yield can be improved by controlling the reaction through a regulated minimum addition of oxygen. They keep the antioxidant power of related ferulic acid, but in high concentration (from 100 to 200 mg/ml), their cytotoxicity toward the human normal cells (HUVEC) and cancerous one (Caco-2) is important and consequently, their interest is limited as natural colorants. The semiquinone of ferulic acid doesn't form any mixed dimers, when the laccase-catalysed ferulic acid oxidation is performed in the presence of other phenolic acids. This can be explained by the fact that laccase from M. thermophila performes a multioxidation in the function of its high or little affinity for the involved substrates. In presence of an insoluble amino polyoside as chitosan, the intermediates of laccase-catalysed oxidation of different phenolic compounds (ferulic, sinapic, syringic acids and catechin) react with its NH2 groups forming covalent liaisons. Actually, this type of link leads to colored chitosans endowed of news properties due to the grafting of phenolic entities. These functionalized chitosans keep the filmogens properties of the native one. Moreover, also it can form more viscous solutions and become soluble in acidic and basic medium. It can permit the growth of HUVEC cells. They especially acquired some antioxidant properties and formed impermeable films to the oxygen which highlights multiple interesting applications, La laccase de Myceliophtora thermophila oxyde certains acides hydroxycinnamiques avec formation éphémère d'intermédiaires de différentes couleurs avant que ceux-ci n'évoluent ensuite spontanément en polymères brun noir. Quand cette oxydation est effectuée en milieu biphasique (tampon phosphate pH 7,5 / acétate d'éthyle), une partie de ces intermédiaires colorés peut être récupérée dans la phase organique et ainsi soustraite à la polycondensation ultérieure. Dans le cas de l'acide férulique, on peut ainsi isoler une fraction colorée en jaune orangé surtout composée de dimères résultant de la condensation des semiquinones initialement formées. La synthèse de ces colorants peut être favorisée et le rendement amélioré en contrôlant la réaction par un ajout minimum régulé d'oxygène. Ces colorants conservent le pouvoir antioxydant de l'acide férulique parent mais à concentration élevée (100 à 200 mg/ml), ils présentent une cytotoxicité plus élevée vis-à-vis de cellules humaines normales (HUVEC) et cancéreuses (Caco-2) ce qui limite éventuellement leur intérêt comme colorants naturels. Les semi quinones de l'acide férulique ne forment pas de dimères mixtes, quand on effectue l'oxydation laccasique de cet acide en présence d'autres acides phénoliques car la laccase de M. thermophila effectue une oxydation séquencée en fonction de sa plus ou moins grande affinité pour les différents substrats mis en jeu. En présence d'un polyoside aminé insoluble comme le chitosane, les intermédiaires d'oxydation laccasique de différents composés phénoliques (acides férulique, sinapique, syringique et catéchine) réagissent avec les groupements NH2 pour former des liaisons de covalence et conduire ainsi à des chitosanes colorés doués de nouvelles propriétés dues au greffage d'entités phénoliques. Ces chitosanes fonctionnalisés conservent les propriétés filmogènes du chitosane natif mais en plus, forment des solutions plus visqueuses et sont devenus solubles en milieux acide et basique. Ils permettent la croissance de cellules HUVEC. Ils ont surtout acquis des propriétés antioxydantes et forment des films imperméables à l'oxygène ce qui laisse entrevoir de multiples applications intéressantes

Les substances perturbatrices du système endocrinien sont des substances qui, de par leur capacité à induire des changements hormonaux chez les organismes vivants, génèrent des préoccupations dans le domaine de la qualité des eaux et, par extension, dans le domaine du traitement des effluents aqueux. Particulièrement, ce projet de recherche s’est attardé sur l’élimination des perturbateurs endocriniens phénoliques nonylphénol (NP), bisphénol A (BPA) et triclosan (TCS) en solution aqueuse à l’aide de la laccase (E.C. 1.10.3.2) sécrétée par la souche fongique Coriolopsis polyzona. Cette oxydase est une métalloprotéine pouvant catalyser l’oxydation d’une vaste gamme de substances phénoliques. En premier lieu, l’impact du pH et de la température sur l’élimination de ces composés à l’aide de la laccase libre en utilisant un design factoriel. L’oxydation de ces composés produit des oligomères (dimère à pentamère) via le couplage des radicaux phénoxy produits par l’action de la laccase. Il s’avère que les substances produites suite à l’oxydation du NP et du BPA par la laccase ont perdu leurs similitudes structurales avec l’estrogène. Ainsi, l’élimination de l’activité estrogénique de ces substances est directement liée à la transformation des composés. Finalement, l’utilisation d’ABTS comme médiateur a permis d’augmenter le taux d’oxydation enzymatique de ces composés chimiques. Puis, de façon à augmenter la possibilité d’utilisation de la laccase dans des biotechnologies environnementales, cette enzyme a été immobilisée sur un support siliceux et via la réticulation d’agrégats. L’impact des conditions d’immobilisation sur l’activité enzymatique, la stabilité du catalyseur et les propriété biocatalytiques apparentes a été déterminé pour différentes stratégies d’immobilisation. Globalement, l’immobilisation génère un biocatalyseur stable vis-à-vis les dénaturations chimique, physique et biologique. Particulièrement, l’immobilisation sur un support solide produit un biocatalyseur facile à utiliser ayant une faible activité massique et des propriétés cinétiques moindres que celle de l'enzyme libre. La formation de CLEAs de laccase a permis d’obtenir une activité massique élevée et des propriétés cinétiques supérieures à celle de l’enzyme soluble. Ces biocatalyseurs solides ont étés utilisés pour éliminer en continu le NP, BPA et TCS dans différents types de bioréacteur. Le biocatalyseur sur silice a été utilisé pour éliminer ces substances dans un réacteur garni, tandis que les CLEAs ont été utilisés dans un réacteur à lit fluidisé et un réacteur à perfusion développé au cours de ce projet. Ces différentes configurations de bioréacteur ont permis d’éliminer efficacement ces différents perturbateurs endocriniens. Globalement, les différents résultats obtenus, à l’échelle de laboratoire, au cours de ce projet de recherche démontrent que la laccase et particulièrement les biocatalyseurs formés via les différentes stratégies d’immobilisation testées représentent des approches extrêmement prometteuses pour le développement de biotechnologies environnementales vouées à l’élimination des perturbateurs endocriniens phénoliques. (AGRO 3) -- UCL, 2008

L'étude des activités enzymatiques exprimées lors de la croissance du champignon de pourriture blanche Trametes versicolor sur milieu malt agar en présence des éprouvettes du hêtre Fagus sylvatica été réalisée. Le processus de dégradation du bois se déroule en deux phases. La première phase est caractérisée par une production d'activités laccases et peroxydases couplées à la dégradation de la lignine. La seconde phase correspond à la production d'activités hydrolytiques impliquées dans la dégradation des polysaccharides. Au début du processus de colonisation du bois, on observe une production d'activités laccases responsables de la dégradation des extractibles du bois, en particulier la catéchine qui est un des composés facilement identifiables dans les extraits du hêtre. La présence d'un biocide comme le propiconazole provoque une forte induction d'activités chitinases lors du stade initial de la colonisation du bois. L'utilisation d'inhibiteurs de chitinases tels que la caféine permet de réduire la quantité du biocide nécessaire pour protéger le bois. La caféine et le rouge congo, un autre agent capable de perturber la mise en place des parois cellulaires du champignon ont un effet additif sur l'inhibition de la croissance de T. versicolor lorsqu'ils sont associés avec le biocide. L'application des méthodes mises en place dans le cadre de notre étude au cas de la dégradation du bois de hêtre traité thermiquement a permis de mettre en évidence l'effet de ce type de traitement sur l'expression des activités enzymatiques expliquant en partie les raisons de l'augmentation de la durabilité du bois suite au traitement thermique., The study of enzymatic activities expressed during growth of the white rot fungus T. versicolor on malt agar medium in the presence of beech (Fagus sylvatica) wood chips was investigated. The process of wood degradation was divided in two stages. The first stage was characterized by the production of laccases and peroxidases activities. The second stage was characterized by production of carbohydrates hydrolyzing activities. At the beginning of wood colonization process, the production of laccases activities was correlated with degradation of wood acetonic extractives as catechin, which was easily identified in the beech extracts. The presence of a biocide like propiconazole is responsible of the induction of a strong chitinases activity at the beginning of the colonization process. Utilisation of caffeine, a chitinases inhibitor, in the presence of propiconazole allowed to reduce the quantity of biocide necessary to prevent wood from fungal degradation. Similarly, congo red, another cell wall perturbing agent, presented additive effect on inhibition of the fungal growth when associated to propiconazole. The application of the methods developed in this study to the case of heat treated beech wood highlighted the effect of this treatment on the expression of enzymatic activities during wood degradation process explaining in great part the improvement of durability observed after heat treatment.

Wheat flour dough mixing is a key step in the breadmaking process leading to the formation of macromolecular networks (gluten, arabinoxylans). During mixing, the enzymatic oxidation reactions play an important role in the acquisition of the rheological properties of the dough. For that purpose, the aim of this work was to develop the instrumentation of pilot kneader in order to measure the oxygen consumption and the instant rate of oxygen uptake during mixing and the torque applied on the blade. The measures were used to study the influence of the biochemical composition of the flour, confirming that the lipoxygenase system activity was preponderant during the initial phase of mixing. The correlations between oxygen data and torque parameters, and between torque parameters and rheological data showed that oxidation phenomena are linked to the acquisition of rheological properties of the dough. The effects of common used improvers were measured. The possibility to use laccase, a polyphenoloxidase, was also studied. First, two promising enzymes were selected and their effect during mixing were measured (positive effect on the oxygen consumption, negative effect on the torque parameters). Then, the use of laccase mediating systems for the oxidation of endogenous compounds was explored.; Le pétrissage des pâtes constitue une étape clé en panification qui conduit au développement des réseaux de gluten et d'arabinoxylanes. Lors du pétrissage, les réactions d'oxydation, pour la plupart enzymatiques, participent à l'acquisition des propriétés viscoélastiques de la pâte et contribuent à la qualité du produit final. Afin de mesurer et caractériser les réactions d'oxydations au seins de la pâte, l'objectif de ce travail de thèse est la mise au point d'un pétrin pilote, le sitoxygraphe, instrumenté pour la mesure directe de la consommation et des vitesse de consommation d'oxygène et de l'évolution du couple s'exerçant sur le bras mobile du pétrin. Ces mesures ont permis d'étudier l'influence de la composition biochimique des farines sur les consommations d'oxygène et sur les paramètres de couple, confirmant l'importance du système lipoxygénasique dans les premiers instants de pétrissage ainsi que la probable participation de réactions secondaires. Les corrélations entre les données oxygène et les paramètres de couple ainsi qu'entre les paramètres de couple du sitoxygraphe et des données rhéologiques ont mis en évidence la contribution des réactions d'oxydation dans l'acquisition des propriétés rhéologiques de la pâte. Quelques effets d'améliorants connus ont également été mesurés. Enfin, après avoir sélectionné deux laccases (polyphénoloxydases) potentiellement intéressantes en panification, leurs effets au cours du pétrissage ont été étudiés mettant en évidence un effet positif sur la consommation d'oxygène et négatif sur les paramètres de couple (probable suroxydation). L'oxydation de composés endogènes par ces enzymes via un médiateur d'oxydation constitue une voie intéressante.

Diplôme : Dr. d'Universite

National audience; Abstract Laccase and manganese-dependent peroxidase (Mn peroxidase) activities were detected in the culture media of Armillaria ostoyae and A. mellea. Mn peroxidase was produced in significantly higher quantity by the A. ostoyae isolates and was purified by chromatography from one isolate of this species. Some properties of the purified enzyme were examined (absorption spectrum, H2O2 and MnSO4 optimal concentrations, pH optimum and lactate stimulation). Enzymes of potential importance in the lignin degradation (especially Mn peroxidase) by Armillaria sp. are compared to those of other root-rotting fungi. The possible role of Mn peroxidase in modulating the pathogenicity of Armillaria sp. is discussed.

Besides the l-ascorbic acid (C1 factor), we put in evidence the l-epi-3',4',5',5,7-pentahydroxyflavan-3-ol (C2 factor) in the blood capillary wall. It was mainly located and found in the endothelial cell membranes. To reach that results, we used an original method using a specific polyphenoloxydase extracted from Psaliota campestris.