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International audience; The human population is exposed to numerous environmental and food chemical contaminants (heavy metals, pesticides, nanoparticles, plastics, persistent organic pollutants, food additives, neo-formed toxics). These exposures could disturb the gut microbiota, a key player in human health, and thus participate directly or indirectly in the establishment of various chronic diseases such as obesity, type 2 diabetes, metabolic disorders, cancers, inflammatory diseases, reproductive, immune and also neurological pathologies.; La population humaine est exposée à de très nombreux contaminants chimiques environnementaux et alimentaires (métaux lourds, pesticides, nanoparticules, plastiques, polluants organiques persistants, additifs alimentaires, produits néoformés). Ces expositions pourraient perturber le microbiote intestinal, acteur clé de la santé humaine, et ainsi participer directement ou indirectement à l’établissement de diverses affections chroniques telles que l’obésité, le diabète de type 2, les désordres métaboliques, les cancers, les maladies inflammatoires, les pathologies reproductives, immunitaires mais aussi neurologiques

Understanding the biological mechanisms of action of membrane proteins requires the comprehension of the interactions of xenobiotics with these proteins and with lipid membranes. Experimental methods are often demanding and only partially respond to xenobiotic-membrane-protein interactions. In silico molecular modeling is a serious alternative to tackle these issues. Molecular dynamics (MD) and biased dynamics simulations have opened many perspectives by providing an atomistic description of these intermolecular interactions. Using MD simulations, we built a model of the human ABC ABCC4/MRP4 transporter. We explored the influence of cholesterol on this protein as well as the impact of a polymorphism known to shut down the transport activity of this protein. We also studied the interaction of xenobiotics with this human transporter. The transport cycle of the ABC transporters was investigated in an attempt to better understand how it works.Interactions between lipid membranes and xenobiotics were explored by examining their ability to incorporate lipid membranes. Lipid mixtures with cholesterol showed a significant impact on the human protein ABCC4/MRP4 and on the xenobiotics studied. The importance of regions, domains constituting the ABCC4/MRP4 protein as well as the importance of specific residues has been clearly demonstrated. We also observed intermediates in the transport cycle of an ABC transporter in conjunction with structural changes occurring during this cycle.; L’appréhension des mécanismes d’action biologiques des protéines membranaires nécessite de comprendre les interactions des xénobiotiques avec ces protéines et avec les membranes lipidiques. Les méthodes expérimentales sont parfois coûteuses et ne permettent d’obtenir que des informations partielles sur les interactions xénobiotiques-membrane-protéine. La modélisation moléculaire est une sérieuse alternative. Les simulations de dynamique moléculaire et de dynamique biaisées ont ouvert de nombreuses perspectives en permettant de décrire ces interactions moléculaires à l’échelle atomique. Grâce à des simulations de dynamique moléculaire, nous avons été capables de construire un modèle de transporteur humain ABC : ABCC4/MRP4. Cette protéine a été choisie pour sa présence dans le rein, notamment, et son importance clinique. Nous avons évalué l’influence du cholestérol sur cette protéine. L’étude de domaines spécifiques et l’impact d’un polymorphisme a été reliée à l’activité de transport de cette protéine. Nous avons également étudié l’interaction de xénobiotiques avec ce transporteur humain. Le cycle de transport des transporteurs ABC a été examiné afin de comprendre leur fonctionnement. L’incorporation de cholestérol a montré un impact significatif sur la protéine humaine ABCC4/MRP4 et sur les xénobiotiques étudiés. L’importance de domaines constituant la protéine ABCC4/MRP4 ainsi que l’importance de résidus individuels a clairement été prouvée. Nous avons également pu observer des intermédiaires du cycle de transport d’un transporteur ABC conjointement avec des changements structuraux.

Human activity through industry, urbanization and agriculture, has led to the production and release of a large amounts of chemical compounds (including pesticides and pharmaceuticals) into the biosphere. One of the problematic related to the xenobiotic compounds fate is their transfer to aquatic ecosystems and the alteration of diversity and activity of microbial communities. Microbial communities associated with immersed leaf-litter can be impacted by these compounds, and in turn, alter global processes such as the carbon and nutrient cycling in the stream ecosystem. Accordingly, this thesis work aims to assess the effects of realistic chemical contamination on microbial leaf-litter decomposition process in streams.The first chapter of this thesis was focused on the comparison of microbial decomposition activity in alder leaves in six watersheds presenting different land uses (agricultural, urbanized, forested) over four seasons (spring, summer, autumn, winter). The effect of the gradient of contamination on microbial organic matter processing from upstream to downstream sections in each watershed was also assessed. Monitoring revealed that microbial decomposition of leaves was slightly higher in contaminated watersheds (agricultural and urbanized) in comparison with control ones (forested), probably because of the compensation effect by nutrients over xenobiotics. However, this compensation mechanism was partial since fungal biomass accumulated in leaves was greatly reduced in contaminated watersheds. Overall, this highlights microbial communities being more efficient for leaf decomposition in polluted watersheds than in the less contaminated ones, which is probably explained by changes in microbial community structure.The second chapter of this thesis aimed to evaluate in vitro the specific interactions between nutrients (nitrogen and phosphorus) and pesticides (herbicide and fungicide, alone or in mixture) exposure on microbial communities during leaf-litter decomposition. High nutrient concentrations (eutrophic conditions) tended to exacerbate the effects of pesticides on leaf decomposition rates suggesting that the compensatory mechanism of nutrients over pesticides observed in the previous part is probably concentration dependent and does not always apply to aquatic microbial communities. Moreover, a stimulation in laccase activity was observed when microbial communities were exposed to the fungicide, suggesting a role of this enzyme in detoxification mechanisms. However, the fact that such stimulation was not observed when exposed to the mixture of both pesticides (herbicide and fungicide) suggest that the interaction between these two molecules impaired the ability of microbial communities to display properstress response. These results constitute the first evidence of the potential interaction between an herbicide and a fungicide on leaf-associated microbial communities functioning. (...); L’activité humaine, au travers de l’industrie, l’urbanisation ou encore l’agriculture, a conduit à la production et au relargage d’une grande quantité de produits chimiques (dont les xénobiotiques) dans la biosphère. Une des problématiques liée aux composés xénobiotiques est leur transfert vers les écosystèmes aquatiques et l’altération de la diversité et des activités microbiennes. Ces communautés peuvent être impactées par ces composés, potentiellement affectant en retour les grands processus écosystémiques tels que le cycle du carbone. Ce travail de thèse vise donc à évaluer les effets d'une contamination chimique réaliste sur les processus de décomposition microbiens de la matière organique dans les écosystèmes lotiques via l’utilisation de la litière de feuilles comme descripteur.Une première partie de ces travaux de thèse a été consacrée à décrire et à comparer la décomposition microbienne (bactéries et champignons) de la litière de feuilles au travers de la structure des communautés microbiennes (structure génétique et biomasse) et les activités associées (activités enzymatiques extracellulaires) dans six bassins versants présentant des occupations des sols différentes (urbanisés, agricoles et forestier) et au cours de quatre saisons (printemps, été, automne et hiver). L'effet du gradient de contamination depuis l'amont vers aval sur ce processus a également été évalué. La décomposition microbienne s'est avérée légèrement plus élevée pour les bassins versants agricoles et urbanisés par rapport aux bassins versants forestier (contrôle), probablement en raison de l'effet de la compensation des nutriments sur les xénobiotiques. Cependant, cette compensation ne s’est avérée que partielle, la biomasse fongique ayant été considérablement réduite dans les bassins versants contaminés. Ces résultats mettent en évidence une meilleure efficacité des communautés microbiennes pour la décomposition des feuilles dans les bassins versants présentant une contamination chimique, probablement par l’intermédiaire de changements au niveau de la structure des communautés microbiennes.La deuxième partie de ces travaux de thèse consistait à évaluer in vitro les interactions entre l’eutrophisation des cours d’eau et des concentrations réalistes en pesticides (herbicides et fongicides, seuls ou en mélange) sur l’activité microbienne de décomposition de la litière de feuilles. Les fortes concentrations en nutriments (condition eutrophe) ont eu tendance à exacerber les effets des pesticides sur les taux de décomposition microbiens, suggérant que l'effet compensatoire des nutriments sur les pesticides observé dans la partie précédente dépend de la concentration et ne s'applique pas toujours aux communautés microbiennes aquatiques.De plus, une stimulation de l’activité laccase a été observée chez les communautés microbiennes exposées au fongicide, ce qui suggèrent l’utilisation de cette enzyme en tant que mécanisme de détoxification. Cependant, le fait que cette stimulation n’ait pas été observée en présence du mélange de pesticides (herbicide et fongicide) suggère que l’interaction entre ces deux composés peut altérer la capacité des communautés microbiennes à se défende contre le stress. Ces résultats constituent la première description de l'interaction potentielle entre un herbicide et un fongicide sur les communautés microbiennes associées à la litière de feuilles. (...)

Predicting, modelling and analysing the metabolism of xenobiotics, substances foreign to an organism, using computer methods, has been a major challenge for the scientific community for many years. This thesis aims to implement multiscale computing methods for predicting and analyzing the metabolism of xenobiotics. A first focus of this study was on the construction and automatic de novo annotation of metabolic graphs combining high sensitivity and precision. These graphs thus provide the prediction of the metabolism of xenobiotics in humans, as well as the genotoxicity of the molecules and atoms that make up xenobiotics. Then, the work focused on the implementation of a dynamic mathematical model modelling enzymatic competition effects through the development of a methodology allowing the exploitation of limited biological data while limiting inherent biases., Prédire, modéliser et analyser le métabolisme de xénobiotiques, substances étrangères à un organisme, à l'aide de méthodes informatiques est un challenge majeur mobilisant la communauté scientifique depuis de nombreuses années. Cette thèse vise à implémenter des méthodes informatiques multi-échelles pour prédire et analyser le métabolisme des xénobiotiques. Un premier axe de cette étude portait sur la construction et l'annotation automatique de novo de graphes métaboliques combinant fortes sensibilités et précisions. Ces graphes fournissent ainsi la prédiction du métabolisme de xénobiotiques chez l'homme, ainsi que la génotoxicité des molécules et atomes qui le composent. Puis, le travail s'est orienté sur l'implémentation d'un modèle mathématique dynamique modélisant des effets de compétition enzymatique à travers le développement d'une méthodologie permettant l'exploitation de données biologiques restreintes tout en limitant les biais inhérents.

Predicting, modelling and analysing the metabolism of xenobiotics, substances foreign to an organism, using computer methods, has been a major challenge for the scientific community for many years. This thesis aims to implement multiscale computing methods for predicting and analyzing the metabolism of xenobiotics. A first focus of this study was on the construction and automatic de novo annotation of metabolic graphs combining high sensitivity and precision. These graphs thus provide the prediction of the metabolism of xenobiotics in humans, as well as the genotoxicity of the molecules and atoms that make up xenobiotics. Then, the work focused on the implementation of a dynamic mathematical model modelling enzymatic competition effects through the development of a methodology allowing the exploitation of limited biological data while limiting inherent biases.; Prédire, modéliser et analyser le métabolisme de xénobiotiques, substances étrangères à un organisme, à l'aide de méthodes informatiques est un challenge majeur mobilisant la communauté scientifique depuis de nombreuses années. Cette thèse vise à implémenter des méthodes informatiques multi-échelles pour prédire et analyser le métabolisme des xénobiotiques. Un premier axe de cette étude portait sur la construction et l'annotation automatique de novo de graphes métaboliques combinant fortes sensibilités et précisions. Ces graphes fournissent ainsi la prédiction du métabolisme de xénobiotiques chez l'homme, ainsi que la génotoxicité des molécules et atomes qui le composent. Puis, le travail s'est orienté sur l'implémentation d'un modèle mathématique dynamique modélisant des effets de compétition enzymatique à travers le développement d'une méthodologie permettant l'exploitation de données biologiques restreintes tout en limitant les biais inhérents.

Environmental pollutions by xenobiotics, especially by pesticides and heavy metals derived from agricultural activities, show an important complexity of chemical composition and of spatiotemporal dynamic. Vegetative filter strips between cultivated fields and streams limit the diffusion of these residual pollutions to natural environments. However, the exact biological role of plant in these buffer strips is poorly understood in this context of environmental and ecological protection. A comparative study carried out in situ and in controlled conditions highlighted the role of plant compartment in the processes of absorption, storage and/or partial degradation of pollutants in planta. Such capability of phytoremediation depends on the maintenance of a vegetal cover in area subjected to recurring flow of pesticides, it varies according to species and leads to the structuration of vegetative filter strip communities. An integrative study in controlled conditions of plant responses to low doses of pollutants allowed to analyze at different levels of complexity the impacts of chemical stresses on the model species Arabidopsis thaliana and the grassland species Lolium perenne. Low and sublethal doses of xenobiotics, associated degradation products and heavy metals induced cryptic perturbations at metabolic and molecular levels. Multi-pollution analyses, which reflect realistic conditions of environmental exposure, highlighted complex interactive effects between pollutants in mixture and the difficulty to predict them. The mechanisms of response to these chemical stresses differ according to the species and the pollutant, and suggest differences in term of perception and/or transport of pollutants, or of coordination of molecular and metabolic responses. Arabidopsis presented a coordination of its responses toward an increase of stress metabolites, a decrease of carbon metabolites (soluble carbohydrates), in parallel with modifications of gene expressions implicated on antioxidant defences, defence against xenobiotic stresses, or phytohormone dynamic. Chemical stress leads to major modifications of nitrogen metabolism in Lolium, and perturbations of processes of photorespiration. De novo transcriptomic analysis of Lolium therefore showed that a majority of identified genes are related to signal transduction pathways, highlighting the complexity of response mechanisms and the links between metabolic signals, especially linked to carbohydrate, hormonal signaling pathways, stress signals and photosynthesis. Subtoxic chemical stress induced cryptic re-engineering of plant processes that may explain the development of tolerance for some species and their persistence in area affected by residual pollution., Les pollutions par les xénobiotiques, en particulier les pesticides, et les métaux lourds issus des activités agricoles présentent une grande complexité de composition chimique et de dynamique spatio-temporelle. La présence de bandes enherbées entre les parcelles cultivées et les cours d’eau permet une limitation de la diffusion de ces pollutions résiduelles vers les milieux naturels. Le compartiment végétal de ces bandes enherbées peut jouer de multiples rôles dans ce contexte de protection environnementale. L’étude comparative réalisée in situ et en conditions contrôlées de laboratoire a permis de mettre en évidence le rôle biologique du compartiment végétal avec son implication directe dans les processus in planta d’absorption, de stockage et/ou de dégradation au moins partielle. Un tel rôle phytoremédiateur est dépendant de la capacité des plantes à se maintenir sur ces milieux pollués, qui diffère selon l’espèce considérée et structure ainsi les communautés végétales des bandes enherbées. L’étude intégrative en conditions contrôlées des réponses des plantes aux interactions avec les xénobiotiques à faibles doses, à différentes échelles de complexité du fonctionnement végétal, a permis de montrer les effets de ces stress chimiques chez l’espèce modèle Arabidopsis thaliana et chez l’espèce prairiale Lolium perenne. Les xénobiotiques et les métaux lourds à des doses subtoxiques ont induit d’importants bouleversements métabolomiques et moléculaires chez ces espèces, avec des effets cryptiques de ces polluants et de leurs produits de dégradation. L’analyse en conditions de multi-pollution, qui reflètent de manière réaliste les pollutions péri-agricoles, a montré la complexité et la difficulté de prédiction des interactions entre les effets des contaminants en mélange. Ces mécanismes de réponses diffèrent selon l’espèce et le polluant et laissent supposer des divergences en termes de perception et/ou de transport des polluants, ou de coordination des réponses moléculaires et métaboliques. Arabidopsis a ainsi présenté une coordination de ses réponses orientée vers une augmentation des métabolites de stress, et une diminution des métabolites carbonés (sucres solubles), en parallèle de modifications de l’expression de gènes impliqués dans les défenses antioxydantes, les défenses contre les stress xénobiotiques, ou dans la dynamique des phytohormones. Le stress chimique a entraîné chez Lolium des modifications majeures du métabolisme azoté, ainsi qu’un remaniement des processus de photorespiration. L’analyse transcriptomique de cette espèce a de plus montré que la majorité des gènes identifiés sont impliqués dans des voies de transduction de signal, montrant ainsi la complexité des mécanismes de réponse et les couplages qui existent entre les signaux métaboliques, en particulier liés aux sucres, les voies de signalisation associées aux phytohormones, les signaux de stress et la photosynthèse.

The overall objective of this work is the design and the reliability of biological processes allowing the treatment of industrial wastewater containing inhibitory xenobiotics, more or less readily biodegradable after acclimation. In fact, biological processes type of activated sludge, treating industrial wastewater, are subject to significant disruptions related to inhibitory organic molecules. The temporal variation, both in the pollutant’s concentration and nature, represent one of the common problems of these systems supposed to ensure reliable processing.As a first step, our study of the degradation of an organic inhibitory molecule: p-Nitrophenol (p-NP) in batch reactor (fed-batch), showed the variation of kinetic parameters in relation to the level of microbial population acclimation. Therefore, we analyzed the effect of operating conditions for acclimation phase of the kinetic parameters of a mixed culture degrading p-NP. A specific mathematical model was proposed to simulate the dynamic operation of the activated sludge process. We validated this model through a parametric identification. The same model will be used in the next section.As a second step, we used a multi-criteria optimization method for activated sludge process design. This design was obtained by considering the biological dynamics inside the bioreactor as well as toxic overload events. The developed approach is based on modeling associated to indexes cost analysis. In addition to the case of p-NP, an extension of this study is proposed for a hydrophobic micropollutant molecule, namely a polycyclic aromatic hydrocarbon: phenanthrene.; Ce travail de thèse a pour objectif général la conception et la fiabilisation des procédés biologiques, traitant des Eaux Résiduaires Industrielles (ERI) contenant des xénobiotiques inhibiteurs, plus ou moins facilement biodégradables après acclimatation. En effet, les procédés biologiques par boues activées traitant des ERI sont soumis à des perturbations importantes liées à des molécules organiques inhibitrices. La variation temporelle, à la fois, dans la concentration et dans la nature des polluants est une des problématiques de ces systèmes qui doivent garantir une fiabilité du traitement.Dans un premier temps, l’étude de la dégradation d’une molécule organique modèle inhibitrice : le p-Nitrophénol (p-NP) en réacteur batch (alimentation discontinue) a montré la variabilité des paramètres cinétiques en fonction du niveau d’acclimatation de la population. Par conséquent, l'effet des conditions opératoires d'une phase d’acclimatation sur les paramètres cinétiques d'une culture mixte dégradant le p-NP, a été étudié. Un modèle mathématique spécifique, a été proposé afin de simuler le fonctionnement dynamique d’un procédé à boues activées. Une identification paramétrique a permis la validation de ce modèle qui sera utilisé dans la partie suivante.Ensuite une méthode d'optimisation multicritères pour dimensionner le procédé à boues activées a été utilisée. Ce dimensionnement a été effectué en prenant en compte la dynamique biologique à l’intérieur des bioréacteurs, ainsi que les évènements de surcharge toxiques. L’approche développée est basée sur la modélisation associée à l'analyse des indices de coûts. Outre le cas du p-NP qui est une molécule hydrophile, une extension de cette analyse est proposée pour un micropolluant hydrophobe : Il s’agit d’un hydrocarbure aromatique poly-cyclique : le phénanthrène.

Phanerochaete chrysosporium est un champignon forestier faisant partie des organismes saprophytes capables de recycler la matière organique morte. Grâce à l’excrétion de nombreuses enzymes de dégradation, en particulier des lignine peroxydases, il est capable de décomposer la matière végétale dont la lignine, un polymère complexe de composés phénoliques très résistant. L’élimination de la lignine permet la libération des autres composants du bois tels que la cellulose et l’hémicellulose qui peuvent être utilisés dans l’industrie papetière ou pour la production de bioéthanol de deuxième génération. La structure des intermédiaires et produits de dégradation de la lignine est souvent proche de celle de nombreux polluants, d’où l’intérêt biotechnologique de P. chrysosporium dans les processus de bioremédiation. Cependant, les systèmes de dégradation engendrent des composés plus ou moins toxiques pour le champignon et contre lesquels il doit faire face. C’est pourquoi il possède un système de détoxication impliquant des enzymes telles que les cytochrome P450 monooxygénases ou encore les glutathion transférases (GST). Les Ure2p forment une classe de GST étendue chez Phanerochaete et d’autres basidiomycètes saprophytes. Leur étude par des approches phylogénétiques, biochimiques, structurales et transcriptomiques a permis de mieux comprendre les mécanismes d’évolution que peut subir une classe d’enzymes potentiellement soumises à une forte pression de sélection., Phanerochaete chrysosporium is a forest fungus being part of saprophytic organisms able to recycle dead organic matter. Thanks to the excretion of numerous wood decaying enzymes, and especially lignin peroxidases, this fungus is able to break down plant material including lignin, a complex polymer of phenolic compounds. Lignin removal allows the release of other wood components such as cellulose and hemicellulose, which can be further used in paper industry or to produce second generation bioethanol. The structure of intermediates and products from lignin decomposition is close to that of numerous pollutants making P. chrysosporium biotechnologically interesting for bioremediation purposes. Moreover, the fungus has to deal with more or less toxic compounds created by degradation mechanisms. It thus presents a detoxification pathway involving enzymes including cytochrome P450 monooxygenases and glutathione transferases (GST). Ure2p enzymes belong to an extended GST class in Phanerochaete genus as well as in other saprophytic basidiomycetes. Their study based on phylogenetic, biochemical, structural and transcriptomic approaches provides a better understanding of evolution mechanisms of a class of enzymes potentially subject to strong selection selection pressure.

Les champignons saprophytes sont les acteurs principaux du recyclage de la matière organique morte au sein des écosystèmes forestiers. Ces microorganismes possèdent la capacité unique de dégrader la totalité des polymères constitutifs du bois grâce à la sécrétion de systèmes enzymatiques oxydatifs et hydrolytiques complexes. L’analyse de la structuration des communautés durant les stades initiaux de la colonisation du bois par séquençage à haut débit a révélé qu’au delà d’être une ressource nutritive, celui--‐ci influence la distribution et la dynamique des communautés qui lui sont associées de par sa grande variabilité chimique. A l’échelle de l’organisme, les différents groupes écologiques de champignons décomposeurs du bois (pourriture brune, blanche et molle) possèdent des systèmes de dégradation extracellulaires également reflétant cette complexité chimique. Le séquençage du génome d’un grand nombre de ces organismes a permis l’identification de superfamilles d’enzymes impliqués dans les mécanismes de résistance et de détoxication des composés toxiques exogènes. Parmi elles, la superfamille des glutathion transférases présente une extension de classes spécifiques au sein des champignons basidiomycètes décomposeurs du bois. La détermination des propriétés biochimiques et structurales d’une isoforme, issue d’une de ces classes spécifique (les Etherase--‐ like), présente chez Phanerochaete chrysosporium a révélé des caractéristiques particulières. Cette enzyme possède un mode de dimérisation atypique ainsi que la capacité à séquestrer des composés phénoliques toxiques générés lors de la dégradation du bois via une propriété ligandine unique. La comparaison des propriétés de plusieurs isoformes de cette classe d’enzymes appartenant aux champignons C. cinereus et P. chrysosporium a démontré que celle--‐ ci exhibe une grande versatilité intra--‐ et interspécifique, de leurs activités enzymatiques et de leur propriété ligandine en réponse à des contraintes environnementales liées principalement à la grande hétérogénéité chimique de la composition des arbres., Saprophytic fungi are key players of dead organic matter recycling in forest ecosystems. These microorganisms possess the unique ability to degrade the integrality of wood constitutive polymers by secretion of complex oxydative and hydrolytic enzymatic systems. Communities structuration analysis during the initial stages of wood colonisation by high throughput sequencing revealed that the latter beyond being a source of nutrients, influences the distribution and dynamic of communities by its broad chemical variability. At the organism level, the different ecological groups of wood decomposing fungi (brown, white and soft rot) possess extracellular degradation systems reflecting this chemical complexity. Genome sequencing of these organisms allowed the identification of enzymes superfamilies involved in resistance and detoxification mechanisms towards exogenous toxic compounds. Among them, the glutathione transferases superfamily exhibit extension of specific classes in wood decaying basidiomycetes. Biochemical and structural properties determination of one isoform belonging to one of these specific classes (the Etherase--‐like), found in Phanerochaete chrysosporium revealed unusual characteristics. This enzyme possesses an atypical dimerization mode as well as the ability to sequestrate toxic phenolic compounds resulting from wood degradation through a unique ligandin property. Properties comparison of several isoforms from this class belonging to C. cinereus and P.chrysosporium demonstrated a huge intra--‐ and interspecific versatility of their enzymatics activities and ligandin property in response to environmental constraints arising from the great chemical heterogeneity of wood composition.

Phanerochaete chrysosporium est un champignon ligninolytique largement étudié pour ses capacités à dégrader la lignine et certains xénobiotiques grâce à un important système d'enzymes extracellulaires. Son génome est entièrement séquencé et constitue un inventaire de séquences protéiques prédites qui a permis la description de nombreuses superfamilles de protéines. Parmi elles, les Glutathion S-transférases sont essentiellement impliquées dans le métabolisme secondaire du champignon. Cependant, malgré les nombreux travaux montrant l'implication de ces enzymes dans la réponse aux stress, le développement cellulaire et plus globalement dans certaines fonctions métaboliques, leurs réelles fonctions restent inconnues à cause de leur grande diversité et le manque de données concernant leurs spécificités catalytiques. P. chrysosporium possède 27 isoformes de GSTs qui se regroupent en 7 classes. Parmi elles, 3 sont étendues chez les champignons saprophytes : les classes Omega, Ure2p et ethérase. Deux membres de la classe Omega ont été caractérisés au niveau biochimique et montrent desspécificités de substrat. En effet, PcGTO1 fait partie d'une nouvelle classe appelée S-glutathionyl-phydroquinone reductase, alors que PcGTO3 est plutôt active avec le phenylacetophenone. La structure tridimensionnelle de PcGTO1 suggère que l'enzyme appartient également à une nouvelle classe structurale que nous avons appelée xi. La deuxième classe majoritaire que nous avons étudiée est la classe des Ure2p qui est composée de 9 isoformes et se regroupent en 2 sous-classes. Trois isoformes ont été étudiées au niveau transcriptionnel, biochimique et physiologique. PcUre2p4 et PcUre2p6 appartenant à la première sous-classe sont spécifiquement exprimés dans des cultures fongiques en présence d'hydrocarbures aromatiques polycycliques et l'activité des protéines recombinantes correspondantes est classique des GSTs à savoir le transfert de glutathion sur un substrat hydrophobe. A l'inverse, PcUre2p1 qui appartient à la deuxième sous-classe est exprimé de manière constitutive au niveau transcriptionnel et la protéine présente une activité thiol transférase comparable aux protéines de la classe Omega. Les analyses physiologiques menées grâce à la complémentation de souche déficience de Saccharomyces cerevisiae ont montré que PcUre2p1, PcUre2p4 et PcUre2p6 n'avaient pas la même fonction que l'isoforme de la levure puisqu'aucune complémentation n'a été détectée en ce qui concerne la résistance au stress ou la régulation du métabolisme azoté. Ces résultats suggèrent que leschampignons, en particulier ceux qui présentent des propriétés saprophytes ont développé des spécificités de fonction de leur GSTs probablement en réponse à des contraintes environnementales., Phanerochaete chrysosporium is a ligninolytic fungus widely studied because of its capacities to degrade wood and xenobiotics through an extracellular enzymatic system. Its genome has been sequenced and has provided researchers with a complete inventory of the predicted proteins produced by this organism. This has allowed the description of many protein superfamilies. Among them, Glutathione S-transferases (GSTs) constitute a complex and widespread superfamily classified as enzymes of secondary metabolism. However, despite the numerous associations of GSTs with stress responses, cell development and metabolism in various organisms, the functions of these enzymes remain usually evasive mainly due to their high diversity and also to the lack of knowledge about their catalytic specificities. In P. chrysosporium 27 GST isoforms have been highlighted and clustered into seven classes. Among them three are extended in saprophytic fungi: the Omega, the Ure2p and the etherase classes. Two members of the Omega class have been characterized at the biochemical level showing difference in substrate specificities. Indeed, PcGTO1 is member of a new class of Sglutathionyl- p-hydroquinone reductase, while PcGTO3 is rather active with phenylacetophenone. The three-dimensional structure of PcGTO1 confirms the hypothesis not only of a new biological class, but also of a new structural class that we propose to name GST xi. The second extended class we have studied is the Ure2p one. It is composed of nine isoforms in P. chrysosporium and clusters into two subclasses. Three Ure2p class members have been studied in more details at transcriptional, biochemical and physiological levels. PcUre2p4 and PcUre2p6 of the first subclass are specifically expressed in cultures treated with polycyclic aromatic hydrocarbons and the recombinant proteins are active as typical glutathione transferases. By contrast, PcUre2p1, which belongs to the second subclass is constitutively expressed whatever the condition tested and is active with small molecules as substrate, such as proteins from the Omega class. Physiological studies have revealed that these proteins do not have the same function than the Saccharomyce cerevisiae isoform, concerning both the response to oxidative stress and its involvement in the nitrogen catabolite repression. These results suggest that fungi, especially those with saprophytic capabilities, have developed specificities of GST function as an adaptation to environmental constraints

Mosquitoes have a major impact on public health due to their capacity to transmit human diseases such as viruses (dengue, yellow-fever, west-Nile, chikungunya…) and parasites (malaria, filariasis…). To control them, insecticides have been heavily used since the 1950's leading to the emergence of insecticide resistance. Today, wetlands where mosquito larvae develop are frequently contaminated by environmental xenobiotics (e.g. residual insecticides, agrochemicals, pollutants and plant allelochemicals) and little is known about the impact of these molecules on the capacity of mosquitoes to resist insecticides. The aim of my thesis is to study the response of mosquito larvae to xenobiotic exposures and the impact of these molecules on the tolerance (single generation) and resistance (multiple generations) of mosquitoes to chemical insecticides. A first ‘short term' study revealed that mosquito larvae exposed for few hours to sub-lethal doses of various xenobiotics become more tolerant to several chemical insecticides (Poupardin et al., 2008, Riaz et al., 2009) and that this increased tolerance is linked with an increase of detoxification enzyme activities. Thanks to the “Aedes detox chip” developed in LSTM, we showed that several detoxification genes, especially P450s, were induced by various xenobiotics which could explain the increased tolerance of mosquito larvae to insecticides. In order to better characterize these genes, their transcription profiles were studied at different life stages and in various organs (Poupardin et al., 2010). We demonstrated that several of these P450s are preferentially transcribed in gastric caeca, midgut and malpighian tubules, known to play an important role in xenobiotic metabolism. Moreover, we found that the transcription levels of these genes vary according to life stages. Finally, several genes were induced by environmental doses of xenobiotics with a maximum induction peak at 48-72h after exposure. Overall, these studies evidenced of the potential role of mosquito detoxification genes to respond to xenobiotic exposure and to affect their tolerance to chemical insecticides. The other aim of my thesis was to understand the ‘long term' (across several generations) impact of xenobiotics on the selection of insecticide resistance mechanisms in mosquitoes. In other words, ‘Do pollutants affect the selection of insecticides resistance mechanism by insecticides treatments' and if yes, ‘are particular genes favoured?' To answer these questions, three strains of the mosquito Aedes aegypti were selected with the pyrethroid insecticide permethrin. Before the selection process, larvae were exposed or not to sub-lethal dose of various pollutants. After 11 generations of selection, the three strains showed elevated resistance to permethrin compared to the susceptible strain. To identify the genes differentially transcribed in these resistant strains, we used the new ‘Agilent Aedes chip' representing more than 14,200 transcripts developed by the LSTM. Microarray results showed that the presence pollutants or residual insecticide can affect the selection of insecticide resistance mechanisms by favouring the selection of particular genes such as those encoding for detoxification enzymes (Poupardin et al., in prep). Globally, this research work will provide a better understanding of the impact of environmental factors on insecticide resistances in mosquitoes and will provide new ways to optimize the control of vectors with insecticides.; Les moustiques génèrent une nuisance importante et sont notamment contrôlés grâce à des traitements insecticides. Aujourd'hui, les gîtes où se développent leurs larves sont souvent pollués par des xénobiotiques environnementaux (hydrocarbures, herbicides, pesticides, toxines naturelles…). Jusqu'à présent, l'impact de ces xénobiotiques sur la capacité des larves de moustiques à résister aux insecticides chimiques reste méconnu. Cette thèse vise à étudier la réponse des larves de d'Aedes aegypti aux xénobiotiques environnementaux et leur impact sur leur tolérance et résistance aux insecticides chimiques. Une première étude, sur le court terme, montre que des larves exposées pendant 24h à divers xénobiotiques deviennent plus tolérantes à vis à vis de différents insecticides chimiques (Poupardin et al. 2008). Des études biochimiques et transcriptomiques suggèrent que l'induction de certaines familles d'enzymes (e.g. P450s et GSTs) par ces xénobiotiques peut être liée à l'augmentation de tolérance des larves vis-à-vis de l'insecticide. Dans le but de mieux caractériser le profil transcriptionnel des précédents gènes candidats, des expérimentations complémentaires ont été faites à différents niveaux (Poupardin et al., 2010). Cette étude a montré que de nombreux gènes étaient préférentiellement transcrits dans des tissus fortement impliqués dans la détoxication de composés exogènes, essentiellement des CYP6. Elle révèle aussi que la transcription de ces P450s varie beaucoup au cours des différents stades de développement et qu'ils étaient induits à des faibles de doses de polluants avec un pic d'induction après 48 et 72 heures d'exposition. Ces études mettent en évidence le rôle potentiel des gènes de détoxication dans la réponse à l'exposition à des xénobiotiques et dans l'augmentation de tolérance aux insecticides chimiques. Concernant l'étude sur le long terme de l'impact des polluants sur la résistance des moustiques aux insecticides, la question est de savoir si les polluants trouvés dans l'environnement influencent la sélection de la résistance aux insecticides et si oui, favorisent-ils la sélection de gènes en particulier? Pour répondre à ces questions, trois souches d'Aedes aegypti ont été sélectionnées à la perméthrine. Ces souches sont exposées ou non à différents polluants avant sélection. Après 10 générations de sélection, des bioessais montrent une résistance de ces 3 souches vis-à-vis de la perméthrine. Aucune différence significative de niveau de résistance n'est observée entre les trois souches sélectionnées pour le moment. Pour identifier les gènes différentiellement transcrits dans ces souches, la puce "Agilent Aedes chip" développée par l'école de médecine tropicale de Liverpool (LSTM) et contenant 14200 transcrits a été utilisée. Les microarrays ont révélé que la présence de polluants ou insecticides résiduels pouvait affecter la sélection des mécanismes de résistance aux insecticides chimiques, notamment par la sélection de gènes particuliers codant pour des enzymes de détoxication (Poupardin et al, en préparation). D'une manière globale, cette thèse permettra de mieux comprendre l'impact de l'environnement chimique sur la résistance des moustiques aux insecticides et fournira de nouvelles pistes afin d'optimiser les traitements insecticides utilisés en démoustication.

Mosquitoes have a major impact on public health due to their capacity to transmit human diseases such as viruses (dengue, yellow-fever, west-Nile, chikungunya…) and parasites (malaria, filariasis…). To control them, insecticides have been heavily used since the 1950's leading to the emergence of insecticide resistance. Today, wetlands where mosquito larvae develop are frequently contaminated by environmental xenobiotics (e.g. residual insecticides, agrochemicals, pollutants and plant allelochemicals) and little is known about the impact of these molecules on the capacity of mosquitoes to resist insecticides. The aim of my thesis is to study the response of mosquito larvae to xenobiotic exposures and the impact of these molecules on the tolerance (single generation) and resistance (multiple generations) of mosquitoes to chemical insecticides. A first ‘short term' study revealed that mosquito larvae exposed for few hours to sub-lethal doses of various xenobiotics become more tolerant to several chemical insecticides (Poupardin et al., 2008, Riaz et al., 2009) and that this increased tolerance is linked with an increase of detoxification enzyme activities. Thanks to the “Aedes detox chip” developed in LSTM, we showed that several detoxification genes, especially P450s, were induced by various xenobiotics which could explain the increased tolerance of mosquito larvae to insecticides. In order to better characterize these genes, their transcription profiles were studied at different life stages and in various organs (Poupardin et al., 2010). We demonstrated that several of these P450s are preferentially transcribed in gastric caeca, midgut and malpighian tubules, known to play an important role in xenobiotic metabolism. Moreover, we found that the transcription levels of these genes vary according to life stages. Finally, several genes were induced by environmental doses of xenobiotics with a maximum induction peak at 48-72h after exposure. Overall, these studies evidenced of the potential role of mosquito detoxification genes to respond to xenobiotic exposure and to affect their tolerance to chemical insecticides. The other aim of my thesis was to understand the ‘long term' (across several generations) impact of xenobiotics on the selection of insecticide resistance mechanisms in mosquitoes. In other words, ‘Do pollutants affect the selection of insecticides resistance mechanism by insecticides treatments' and if yes, ‘are particular genes favoured?' To answer these questions, three strains of the mosquito Aedes aegypti were selected with the pyrethroid insecticide permethrin. Before the selection process, larvae were exposed or not to sub-lethal dose of various pollutants. After 11 generations of selection, the three strains showed elevated resistance to permethrin compared to the susceptible strain. To identify the genes differentially transcribed in these resistant strains, we used the new ‘Agilent Aedes chip' representing more than 14,200 transcripts developed by the LSTM. Microarray results showed that the presence pollutants or residual insecticide can affect the selection of insecticide resistance mechanisms by favouring the selection of particular genes such as those encoding for detoxification enzymes (Poupardin et al., in prep). Globally, this research work will provide a better understanding of the impact of environmental factors on insecticide resistances in mosquitoes and will provide new ways to optimize the control of vectors with insecticides., Les moustiques génèrent une nuisance importante et sont notamment contrôlés grâce à des traitements insecticides. Aujourd'hui, les gîtes où se développent leurs larves sont souvent pollués par des xénobiotiques environnementaux (hydrocarbures, herbicides, pesticides, toxines naturelles…). Jusqu'à présent, l'impact de ces xénobiotiques sur la capacité des larves de moustiques à résister aux insecticides chimiques reste méconnu. Cette thèse vise à étudier la réponse des larves de d'Aedes aegypti aux xénobiotiques environnementaux et leur impact sur leur tolérance et résistance aux insecticides chimiques. Une première étude, sur le court terme, montre que des larves exposées pendant 24h à divers xénobiotiques deviennent plus tolérantes à vis à vis de différents insecticides chimiques (Poupardin et al. 2008). Des études biochimiques et transcriptomiques suggèrent que l'induction de certaines familles d'enzymes (e.g. P450s et GSTs) par ces xénobiotiques peut être liée à l'augmentation de tolérance des larves vis-à-vis de l'insecticide. Dans le but de mieux caractériser le profil transcriptionnel des précédents gènes candidats, des expérimentations complémentaires ont été faites à différents niveaux (Poupardin et al., 2010). Cette étude a montré que de nombreux gènes étaient préférentiellement transcrits dans des tissus fortement impliqués dans la détoxication de composés exogènes, essentiellement des CYP6. Elle révèle aussi que la transcription de ces P450s varie beaucoup au cours des différents stades de développement et qu'ils étaient induits à des faibles de doses de polluants avec un pic d'induction après 48 et 72 heures d'exposition. Ces études mettent en évidence le rôle potentiel des gènes de détoxication dans la réponse à l'exposition à des xénobiotiques et dans l'augmentation de tolérance aux insecticides chimiques. Concernant l'étude sur le long terme de l'impact des polluants sur la résistance des moustiques aux insecticides, la question est de savoir si les polluants trouvés dans l'environnement influencent la sélection de la résistance aux insecticides et si oui, favorisent-ils la sélection de gènes en particulier? Pour répondre à ces questions, trois souches d'Aedes aegypti ont été sélectionnées à la perméthrine. Ces souches sont exposées ou non à différents polluants avant sélection. Après 10 générations de sélection, des bioessais montrent une résistance de ces 3 souches vis-à-vis de la perméthrine. Aucune différence significative de niveau de résistance n'est observée entre les trois souches sélectionnées pour le moment. Pour identifier les gènes différentiellement transcrits dans ces souches, la puce "Agilent Aedes chip" développée par l'école de médecine tropicale de Liverpool (LSTM) et contenant 14200 transcrits a été utilisée. Les microarrays ont révélé que la présence de polluants ou insecticides résiduels pouvait affecter la sélection des mécanismes de résistance aux insecticides chimiques, notamment par la sélection de gènes particuliers codant pour des enzymes de détoxication (Poupardin et al, en préparation). D'une manière globale, cette thèse permettra de mieux comprendre l'impact de l'environnement chimique sur la résistance des moustiques aux insecticides et fournira de nouvelles pistes afin d'optimiser les traitements insecticides utilisés en démoustication.

According to the limited natural resources and due to the risks of anthropogenic pollution, it appears necessary to react efficiently in order to remove existing contaminations and avoid the creation of new ones. Therefore, the purpose of this thesis is to propose a sustainable strategy for treating problematic pollutants with the most adequate process. First, an overview of the different treatment processes has been given. In particular, biological, photocatalytic and integrated biological-photocatalytic treatments have been described as efficient methods to remove xenobiotics. Biological treatment of contaminated environments and industrial effluents has been presented as the most attractive method on a cost-benefit extent. But for biorecalcitrant substances, the Advanced Oxidation Processes (AOP) have remained the most efficient methods although expensive. Therefore, the coupling of biological-photocatalytic has emerged as the best compromise for removal of recalcitrant xenobiotics. The first step of the treatment strategy has consisted of evaluating the biotraitability of 19 chemicals: pesticides, pharmaceuticals and volatile organic compounds (VOCs) have been assessed according to three biodegradability methods (Zahn-Wellens, Manometric Respirometry, Closed-Bottle tests), whose official protocols had to be adapted to the compound specificities (volatility, hydrophobicity). Structure-Activity Relationship (SAR) estimation models have also been used to compare and validate the experimental results. For the compounds which have been assessed as biotraitable (VOCs), further biodegradation studies have been led in order to improve the treatment (batch with pulses of substrate): automated monitoring of the biodegradation process, increased degradation yields and biomass productivity have been successfully completed for Toluene, Ethylbenzene, Xylenes, Chlorobenzenze and Dichlorobenzene removal. Conversely, the compounds assessed as biorecalcitrant have been oriented towards the TiO2 and photo-Fenton photocatalytic treatments. Thus, the degradation of four p-halophenols by TiO2 photocatalysis has been investigated and has demonstrated the halogen effect on removal rates, aromatic intermediates and toxicity variations. Finally, the treatment of five bioreacalcitrant pesticides (Alachlor, Atrazine, Chlorfenvinphos, Diuron, Pentachlorophenol) has been studied in order to develop a coupled photocatalytic-biological system: first, enhanced biotreatability has been evaluated using the Zahn-Wellens procedure and then fixed-bed bioreactors have been operated and permitted to find out the best moment for coupling.