Search

During the thesis, microscopic models of different polymer membranes compatible with organic nanofiltration are first developed (polyimides, and polymers with intrinsic microporosity such as PIM-1). The membranes developed are then used in molecular dynamics simulations in which they are brought into contact with common solvents used in the food, chemical and pharmaceutical industries (Methanol, Ethanol, Acetone and Toluene) to study solvent/material interactions. They are supplemented by non-equilibrium molecular dynamics simulations which make it possible to study pressure-driven transport and thus to determine the permeance of membranes with respect to different solvents.; Au cours de la thèse, des modèles microscopiques de différentes membranes polymériques compatibles avec la nanofiltration organique sont tout d’abord développés (polyimides et polymères à microporosité intrinsèque tels que le PIM-1). Les membranes élaborées sont ensuite utilisées dans des simulations de dynamique moléculaire dans lesquelles elles sont mises au contact des solvants usuels utilisés dans les industries agroalimentaires, chimiques et pharmaceutiques (Méthanol, Ethanol, Acétone et Toluène) afin d'étudier les interactions solvant / matériau. Elles sont complétées par des simulations de dynamique moléculaire hors équilibre afin d'étudier le transport sous pression et ainsi de déterminer la perméance des membranes vis-à-vis des différents solvants.

An(IV) clusters are multiple metallic centers molecules, were actinide atoms are linked by oxo or hydroxo groups. Those species are formed by condensation reactions with water. They are stabilized thanks to organic or inorganic ligands. If the structures of the clusters are well known at solid state, this is not the case in solution. Hexameric cluster with an octahedral shape core is the main structure detected in solution. This structure is stabilized by ligand with carboxylate functions. Information exists for Th(IV), U(IV) and Np(IV) hexanuclear in solution, but few studies are reported for Pu(IV). Thermodynamic and kinetic data on the formation and the stability of the cluster are scarce. Consequently, clusters are not taken into account for speciation diagram. The goal of this work is to study the plutonium clusters behavior in solution with a simple carboxylate ligand, acetate.In order to detect all potentially formed, plutonium with acetate species solutions were first characterized by Vis-NIR absorption spectroscopy. Large variations of pH and acetate concentrations were used and eight different species are identified : three aquo cations (Pu3+, Pu4+, PuO22+) and five plutonium complexes with acetate. Those five acetate complexes were characterized by coupling experimental (Vis-NIR and EXAFS spectroscopy and ESI-MS spectrometry) and theoretical approach through quantum chemistry. As a result, Pu6O4(OH)4(AcO)12(H2O)12 hexameric cluster has been identified, the missing bloc in the An(IV) series with formate, acetate ligands. The four other complexes are are attributed to plutonium acetate monomeric complexes. Species of Pu(IV) with acetate being described, their fractions in solution are evaluated and reported on a speciation diagram on the pL axis.; Les clusters d’An(IV) sont des molécules à plusieurs centres métalliques reliés entre eux par des groupes oxo et/ou hydroxo en solution aqueuse (le ceur). Ces espèces se forment en présence d’eau par des réactions de condensation, et sont stabilisées par des ligands organiques ou inorganiques (en surface). Si les structures des clusters sont souvent décrites à l’état solide, elles le sont beaucoup moins en solution. La plupart des clusters observés en solution sont des clusters hexamèriques à géométrie octaédrique, complexés à des ligands à fonction carboxylate. Si quelques données existent pour les clusters hexamériques de Th(IV), U(IV) et de Np(IV) en solution, très peu d’informations sont rapportées sur le Pu(IV). Les données thermodynamiques et cinétiques sur la formation des clusters en solution sont rares. Il en résulte que les clusters ne sont pas pris en compte dans les modèles de spéciation. L’objectif de la thèse est l’étude en solution des clusters de Pu(IV) en présence d’un ligand carboxylate simple, le ligand acétate.Afin d’identifier l’ensemble des espèces susceptibles de se former en solution, le Pu(IV) en présence d’acétate a d’abord été caractérisé par spectroscopie d’absorption Vis-NIR. Huit espèces différentes ont pu être identifiées par spectroscopie Vis-NIR : trois cations aquo (Pu3+, Pu4+ et PuO22+) et cinq espèces d’acétate de Pu(IV). Ces cinq espèces ont ensuite été caractérisées en couplant des approches expérimentales (Vis-NIR, EXAFS et ESI-MS) et théorique par calcul de chimie quantique (DFT). Le cluster hexamérique octaédrique Pu6O4(OH)4(AcO)12(H2O)12 a été identifié en solution. Cette espèce était la structure manquante des clusters hexamèrique An6O6(OH)4(AcO)12 des An(IV). Les quatre autres espèces qui l’accompagnent sont proposées comme étant des complexes « classiques » monomériques. Connaissant les espèces d’acétates de Pu(IV) formées en solution, leurs fractions ont pu être évaluées par déconvolution et reportées sur un diagramme de distribution des espèces en pL.

The conventional wet-process of production of phosphoric acid consists of a leaching of phosphate ores with sulfuric acid during which several impurities (metallic, sulfate, chloride are dissolved concomitantly. Phosphoric acid and phosphate salts are used in various applications such as fertilizers, food additives, electronic etching agent or pharmaceutical excipients and must therefore meet appropriate of specifications regarding their purity. As a consequence, the concentration of these impurities must be reduced by performing purification steps. At the industrial scale, the purification of phosphoric acid is performed mainly by liquid-liquid extraction. The operation consists in extracting as selectively as possible the phosphoric acid molecules initially contained in the leaching juice into an appropriate organic phase. However this process is not selective enough and some of the impurities are co-extracted. This leads to the necessity of performing additional purification steps to meet the requested specifications, which increases both the complexity of the global treatment and its cost. The knowledge of the speciation of impurities in concentrated phosphoric acid is essential to understand the physicochemical reasons for their co-extraction and, in fine, to design more selective extraction solvents. For example, the solvents presently used for the purification of H₃PO₄ are not selective enough against titanium(IV). Thus, this PhD thesis work aims at characterizing the speciation of this metal in a large range of phosphoric acid concentration, in order to identify subsequently the equilibria responsible for its co-extraction with H₃PO₄. This thesis is based on an original approach combining the use of spectroscopic and molecular modeling techniques. Synthetic solutions containing both titanium(IV) and phosphoric acid have been characterized using different spectroscopic techniques including UV-Visible, Nuclear Magnetic Resonance (³¹P NMR) and X-Ray Absorption (XAS) spectroscopies. Thus, the structure of the complexes formed in phosphoric acid has been studied by comparing UV-Visible spectra and calculations implementing time-dependent density functional theory (TD-DFT). The nuclearity of these complexes has also been estimated by comparing the values of the self-diffusion coefficients determined experimentally by ³¹P NMR with the values calculated by molecular dynamics for different species of titanium (IV) potentially present in solution. The coordination of titanium (IV) was also studied by analyzing the EXAFS (Extended X-Ray Absorption Fine Structure) spectra using ab-initio molecular dynamics simulations explicitly taking into account the solvation of the complexes.Finally, UV-Visible spectral data have been analyzed by a chemometric approach, based on a principal component analysis (PCA), allowing us to extract quantitative information about the distribution of the complex species identified in concentrated phosphoric acid. From all these results, it was possible to propose for the first time a diagram of speciation of titanium (IV) in phosphoric acid for a range of concentrations between 6 and 13 mol.L⁻¹, underlining the evolutionary presence of three mono- and poly-nuclear titanium (IV) complexes, the predominant species of which is [Ti(OH)(H₃PO₄)₂(H₂PO₄)]²⁺., L’acide phosphorique et les sels de phosphates sont utilisés dans le monde entier dans la production de fertilisants, d’additifs alimentaires, mais également comme agent de gravure dans l’industrie électronique et pour diverses applications de l’industrie pharmaceutique. Selon l’application visée, un degré de pureté plus ou moins élevé peut être requis vis-à-vis d’un certain nombre d’impuretés dissoutes conjointement avec l’acide phosphorique lors de la lixiviation des roches phosphatées par l’acide sulfurique (voie humide, constituant aujourd’hui le procédé quasi exclusif de production de H₃PO₄). Il est donc nécessaire d’éliminer ces impuretés (espèces métalliques, sulfate, chlorure, etc.). A l’échelle industrielle, la purification de l’acide phosphorique est réalisée principalement par extraction liquide-liquide. L’opération consiste à extraire le plus sélectivement possible les molécules d’acide phosphorique initialement contenues dans le jus de lixiviation dans une phase organique appropriée. Cependant une telle extraction n’est pas totalement sélective et certaines impuretés sont co-extraites. Par la suite, des étapes complémentaires doivent être ajoutées, ce qui complexifie l’ensemble du procédé et le rend plus coûteux. La connaissance fine de la spéciation des impuretés gênantes présentes dans l’acide phosphorique concentré (8-14,5 mol.L⁻¹) est donc une donnée importante pour comprendre les raisons physicochimiques de leur co-extraction et, in fine, pour modifier le procédé afin de s’affranchir de cette dernière. Par exemple, les solvants actuellement utilisés ne sont pas suffisamment sélectifs vis-à-vis du titane(IV). Ce travail de thèse est donc centré sur l’étude de la spéciation du titane(IV) sur une large gamme de concentration en acide phosphorique dans le but de pouvoir identifier ultérieurement les équilibres responsables de sa co-extraction avec l’acide phosphorique. Cette thèse repose sur une approche originale combinant des méthodes d’analyses spectroscopiques et des calculs de modélisation moléculaire. Des solutions synthétiques d’acide phosphorique contenant du titane(IV) ont été caractérisées par spectroscopies UV-Visible, de Résonnance Magnétique Nucléaire (³¹P RMN) et par spectroscopie d’absorption des rayons X. Ainsi, la structure des complexes formés dans l’acide phosphorique a pu être étudiée par la comparaison des spectres UV-Visible et de calculs implémentant la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TD-DFT). La nucléarité de ces complexes a également pu être évaluée en comparant les valeurs des coefficients d’autodiffusion déterminées expérimentalement par RMN ³¹P aux valeurs calculées par dynamique moléculaire pour différentes espèces de titane(IV) potentiellement présentes en solution. La coordination du titane(IV) a pu aussi être étudiée en analysant les spectres EXAFS (Extended X-Ray Absorption Fine Structure) à l’aide de simulations de dynamique moléculaire ab-initio prenant explicitement en compte la solvatation des complexes. Enfin, l’exploitation des spectres UV-Visible par un outil chimiométrique fondé sur une analyse en composants principaux a permis d’extraire des informations quantitatives sur la répartition des complexes de titane(IV) présents dans l’acide phosphorique concentré. A partir de l’ensemble de ces résultats, il a été possible de proposer pour la première fois un diagramme de spéciation du titane(IV) dans l’acide phosphorique pour une gamme de concentrations comprises entre 6 et 13 mol.L⁻¹, soulignant la présence évolutive de trois complexes de titane(IV) mono- et poly-nucléaires dont l’espèce prédominante est [Ti(OH)(H₃PO₄)₂(H₂PO₄)]²⁺.

The PhD research will consist in developing a computational method to design cyclic peptidomimetic molecules with optimal affinity for protein-protein interfaces, in order to inhibit their interactions. The approach will be based on molecular docking and then assembly of amino acids, natural or not, on targeted protein surfaces. It will notably be applied to the design of inhibitors of the Aβ and IAPP peptide aggregations, involved in the Alzheimer's disease and type 2 diabetes, respectively., Le travail de recherche consistera à développer une méthode computationnelle pour concevoir des molécules peptidomimétiques cycliques ayant une affinité optimale pour des interfaces protéine-protéine, dans le but d'inhiber leurs interactions. L'approche envisagée sera basée sur l'amarrage moléculaire puis l'assemblage d'acides aminés naturels ou non sur des surfaces protéiques visées. Elle sera notamment appliquée à la conception d'inhibiteurs d'agrégation des peptides Aβ et IAPP impliqués respectivement dans la maladie d'Alzheimer et le diabète de type 2.

During this Ph.D. thesis I have used state-of-the-art molecular modeling and simulation techniques to answer to key biological questions related to the fundamental bases of cancer development and to the mechanisms of viral replication and diffusion, including those of SARS-CoV-2. In addition to rationalize the molecular bases behind critical biological outcomes, including also the assesment of the thermodynamic properties of key biological aggregates, I have also staudied the possible rational molecular design of novel therapeutic agents acting as antiviral and anticancer. To this end I have studied the induction and reparation of DNA lesions, as well as the basis of genome organization and DNA compaction. This has also brought me to take into accounts epigenetic regulation, the possible design of external agents perturbing gene expression, and the regulation of signaling pathways such as iron homeostasis. Furthermore, I have studied key viral components of SARS-Cov-2 including the spike protein, some non structural proteins such as the SARS Unique Domain, and the organization of its genome, for the formation of guanine quadruplexe sequences. Furthermore, I have also been interested in the understanding of immune system response, and in particular on the effects of variants on the human STING protein, which is able to sense the presence of endogenous genetic material and triggers the appropriate immune response. From a methodological point of view the use of multiscale approach, combining in some instance classical and QM/MM methods have shown its power in rationalizing not only chemical but biological effects and has paved the way to stronger rational design strategies., Au cours de cette thèse, j'ai utilisé la modélisation moléculaire et des techniques de simulation pour répondre à des questions biologiques clés, dans le cadre de la compréhension des bases fondamentales du développement cancéreux et des mécanismes de réplication/diffusion virales, y compris ceux du SARS-CoV-2. En plus de rationaliser les bases moléculaires derrière les résultats biologiques critiques, y compris l'évaluation des propriétés thermodynamiques des agrégats biologiques clés, j'ai également étudié la conception moléculaire rationnelle possible de nouveaux agents thérapeutiques agissant comme antiviraux et anticancéreux. À cette fin, j'ai étudié l'induction et la réparation des lésions de l'ADN, ainsi que les bases de l'organisation du génome et de la compaction de l'ADN. Cela m'a également amené à prendre en compte la régulation épigénétique, la conception possible d'agents externes perturbant l'expression des gènes, et la régulation de voies de signalisation telles que l'homéostasie du fer. En outre, j'ai étudié les composants viraux clés du SARS-Cov-2, notamment la protéine Spike, certaines protéines non structurelles telles que le SARS Unique Domain, et l'organisation de son génome. Par ailleurs, je me suis également intéressée à la compréhension de la réponse du système immunitaire, et en particulier aux effets des variants de la protéine humaine STING, qui est capable de détecter la présence de matériel génétique endogène et de déclencher la réponse immunitaire appropriée. D'un point de vue méthodologique, l'utilisation d'une approche multi-échelle, combinant dans certains cas les méthodes classiques et QM/MM, a montré sa capacité à rationaliser les effets non seulement chimiques mais aussi biologiques et a ouvert la voie à des stratégies de conception rationnelle plus fortes.

Viruses are characterized by a shell that protects and transports viral information. This shell is composed of several copies of proteins capable of self-assembling, around or independently of the viral information. During the life of a virus, proteins involved in this assembly have multiple roles. In addition to transport and protection, they can regulate or hijack the cellular machinery of the infected host. They can also serve as decoys against the organism's immune defenses. In this thesis, using computational methods on supercomputers, the mechanisms of assembly and interaction of these proteins are studied. This work allows to have a better idea of the assembly of the empty shell of the human gastroenteritis virus. For hepatitis B virus (HBV), these studies show the binding of zinc ions by the HBV shell protein. Zinc may play an essential role in the interaction with genetic material. This work also helps to understand how this protein transports viral information to the nucleus of liver cells., Les virus comportent une coque permettant de protéger et de transporter l’information virale. Cette coque est composée de plusieurs copies de protéines capables de s’assembler d’elles-mêmes, autour ou indépendamment de l’information virale. Au cours de la vie d’un virus, les protéines impliquées dans l’assemblage sont dotées de multiples rôles. En plus du transport et de la protection, elles peuvent réguler ou détourner la machinerie cellulaire de l’hôte infecté. Elles peuvent aussi servir de leurre face aux défenses immunitaires de l’organisme. Dans cette thèse, à l’aide de méthodes calculatoires sur des superordinateurs, les mécanismes d’assemblage et d’interaction de ces protéines sont étudiés. Ces travaux permettent d’avoir une meilleure idée de l’assemblage de la coque vide du virus de la gastroentérite de l’Homme. En ce qui concerne le virus de l’hépatite B (VHB), ces études mettent en évidence la fixation d’ions zinc par la protéine de coque du VHB. Le zinc pourrait jouer un rôle essentiel dans l’interaction avec le matériel génétique. Ces travaux aident aussi à comprendre comment cette protéine transporte l’information virale vers le noyau des cellules du foie.

Ion separation using liquid-liquid extraction (LL) or solvent extraction is a key process used in various industrial hydrometallurgy applications, particularly for the nuclear fuel re-processing. In order to better understand the ion transfer between an aqueous and an organic phase in this type of process it is important to understand i) the speciation of the different ionic and molecular species in each of the two phases in contact and which defines the differ-ences in chemical potential between the two phases but also ii) all the phenomena of molecu-lar and supramolecular interactions at the interface, which are at the origin of the potential barriers that can influence the kinetics of ion transfer. Numerous results of volume phase ex-periments exist and can now be interpreted structurally from molecular dynamics simulations. However, this same experimental/simulation correlated approach at the interface containing ligands and in equilibrium with adjacent volumes has been little explored. In this thesis work, we first synthesized a diamide extractant containing a chromophore (MAD) in order to be able to exalt the nonlinear optical signal in a second harmonic generation experiment which has been proved to be a relevant technique for probing buried fluid interfaces. The different physicochemical and extracting properties of this molecule were studied as well as its re-sponse in nonlinear optics. In parallel, molecular dynamics simulation boxes were built on a reference diamide but also with the new chromophore ligand allowing us to visualize as a function of time the equilibrium of ligand distributions between the organic phase and the LL interface. The objective of comparing the experimental and simulated SHG signal from the simulation boxes has not been achieved because the SHG response of this new ligand proved to be more complex by revealing a chiral response dependent on the interfacial concentration of the ligand. Nevertheless, it was possible to suggest that for a more amphiphilic extractant and therefore more capable of surface organization and aggregation in solution, a depletion layer close to the interface could generate a potential barrier, source of an ionic transfer more kinetic than diffusive., La séparation des ions par extraction liquide-liquide (LL) ou extraction par solvant est un procédé clé utilisé dans diverses applications industrielles d’hydrométallurgie, en particulier dans le processus de retraitement du combustible nucléaire. Afin de mieux comprendre le transfert d'ions entre une phase aqueuse et une phase organique dans ce type de procédé il est important de comprendre i) les spéciations des différentes espèces ioniques et moléculaires respectivement dans chacune des deux phases en contact, qui définissent les différences de potentiel chimique entre les deux phases mais aussi ii) tous les phénomènes d’interactions moléculaires et supramoléculaires à l’interface qui sont à l’origine des barrières de potentiel pouvant influencer les cinétiques de transfert ionique. De nombreux résultats d’expériences sur les phases en volume existent et peuvent être maintenant interprétés structurellement à partir de simulations par dynamique moléculaire. Par contre cette même approche expérience/simulation corrélée au niveau de l’interface contenant des ligands et en équilibre avec les volumes adjacents n’a que très peu été explorée. Dans ce travail de thèse nous avons tout d’abord synthétisé un extractant de type diamide comportant un chromophore (MAD) afin de pouvoir exalter le signal d’optique non linéaire dans une expérience de génération de second harmonique qui s’avère être une technique pertinente pour sonder des interfaces fluides en-fouies. Les différentes propriétés physicochimiques et extractants de cette molécule ont été étudiées ainsi que sa réponse en optique non linéaire. En parallèle, des boites de simulation par dynamique moléculaire ont été construites sur un diamide de référence mais aussi avec le nouveau ligand chromophore nous permettant de visualiser en fonction du temps les équilibres de répartitions des ligands entre la phase organique et l’interface LL. L’objectif qui était de comparer le signal SHG expérimental et simulé à partir des boites de simulation n’a pu être atteint car la réponse SHG de ce nouveau ligand s’est avéré plus complexe en révélant une réponse chirale dépendante de la concentration interfaciale du ligand. Néanmoins il est possible de suggérer que pour un extractant plus amphiphile et donc plus apte à s’organiser en surface et à s’agréger en solution, une couche de déplétion proche de l’interface pourrait générer une barrière de potentiel, source d’un transfert ionique plus cinétique que diffusif.

This thesis focuses on the optimization of the syntheses and on the structural characterizations of coordination networks based on octahedral clusters of transition metals and dicarboxylate ligands (terephthalates (T) and fumarates (F)). The synthesis strategy that was adopted consists in reacting by mechanosynthesis strongly polarized units, in particular [{Mo6Bri8}Fa6]2-, with dicarboxylic acids. Due to the polarization of the Mo-F bond, the diacids react with the units [{Mo6Bri8}Fa6]2- to yield the corresponding carboxylates with release of HF. The carboxylates thus formed are linked to the clusters via a Mo-O bond. Two compounds based on chains of clusters linked together by T and F ligands have been synthesized. Partial structural models were obtained from X-ray powder diffraction data. Finally, the synthesis strategy used and the structural analyzes have been validated by calculations devoted to the modeling of the reactivity and of the crystal structures., Ces travaux de thèse portent sur l’optimisation des synthèses et sur les caractérisations structurales de réseaux de coordination à base de clusters octaédriques de métaux de transition et de ligands dicarboxylates (téréphtalates (T) et fumarates (F)). La stratégie de synthèse retenue a consisté à faire réagir par mécanosynthèse des motifs fortement polarisés, en particulier [{Mo6Bri8}Fa6]2-, avec des diacides carboxyliques. En raison de la polarisation de la liaison Mo-F, les diacides réagissent avec les motifs [{M6Bri8}Fa6]2- pour donner les carboxylates correspondants avec libération de HF. Les carboxylates ainsi formés se lient aux clusters via une liaison Mo-O. Deux composés basés sur des chaînes de clusters reliés entre eux par des ligands T et F ont été synthétisés. Des modèles structuraux partiels ont été obtenus à partir des données de diffraction de rayons X par la poudre enregistrées au laboratoire et au synchrotron. Enfin, la stratégie de synthèse utilisée et les analyses structurales ont été validées par des calculs de modélisation de réactivité et de structures cristallines.

Smell and taste perception consists in a chemical stimulation of transmembrane receptors lying on the surface of sensory cells located in the nasal or oral cavity. The receptors involved in olfaction and the perception of bitter, sweet and umami taste all belong to the well-studied G protein-coupled receptors (GPCR) family, yet to date their exact tridimensional structure still eludes us. In this thesis, I study the molecular structures at the frontline of chemosensory perception, namely receptors and their ligands, through a computational lens. To begin with, I expose how quantitative structure-activity relationships (QSAR) lead us to the discovery of natural semiochemicals that effectively disrupt the destructive behavior of a pest to crop plants, Spodoptera littoralis, by targeting its olfactory receptors. I then apply a similar machine learning strategy to develop an online predictive platform that estimates the relative sweetness of molecules based on their structure, resulting in the discovery of a novel sweet-tasting lignan scaffold. Finally, I make use of molecular modeling and available mutagenesis data to provide relevant three-dimensional models of bitter taste receptors, and predict molecular switches involved in ligand-sensing and receptor activation. Besides, I design a Python library that encodes interactions in molecular complexes as fingerprints for an efficient analysis of molecular dynamics trajectories, docking results and experimental structures, and showcase it on a variety of scenarios involving GPCRs. Overall, this thesis illustrates the implementation of computational strategies to gain knowledge on chemosensory perception, from taste to olfaction, at the molecular level., La perception olfactive et gustative provient d’une stimulation de nature chimique des récepteurs transmembranaires émergeants de la surface de cellules sensorielles situées dans la cavité nasale ou orale. Les récepteurs impliqués dans la perception des odeurs et des goûts amer, sucré et umami appartiennent à la famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG). Malgré une connaissance approfondie de cette famille, une définition précise de la structure tridimensionnelle des RCPG chimiosensoriels nous échappe encore à ce jour. Dans cette thèse, je mets en lumière les structures moléculaires en première ligne de la perception chimiosensorielle, à savoir les récepteurs et leurs ligands, au travers d’un microscope computationnel. Dans un premier temps, je mets en avant un cas concret d’utilisation des relations quantitatives structure à activité (QSAR) par la découverte de composés sémiochimiques naturels interférant avec le comportement destructeur d’un insecte ravageur de cultures agricoles, Spodoptera littoralis, en ciblant ses récepteurs olfactifs. Par la suite, en me basant sur une méthode d’apprentissage automatique similaire, je conçois une plateforme en ligne permettant la prédiction du pouvoir sucrant de molécules en se basant sur leur structure, ce qui nous a permis de révéler un composé sucré innovant de la famille des lignanes. Pour finir, grâce aux outils de modélisation moléculaire et aux données de mutagénèse dirigée, je construits des modèles 3D de récepteurs au goût amer afin de prédire les interrupteurs moléculaires impliqués dans la détection des ligands et l’activation de ces récepteurs. En parallèle, je développe une librairie Python qui encode les interactions de complexes moléculaires sous forme d’empreinte numérique afin d’analyser des trajectoires de dynamique moléculaire, des structures issues d’amarrage moléculaire, ou des structures expérimentales, et je mets en valeur ce logiciel dans une multitude de scenarios impliquant des RCPG. Dans l’ensemble, ces travaux de thèse illustrent la mise en œuvre de méthodes numériques pour extraire des informations sur la perception chimiosensorielle, qu’elle soit olfactive ou gustative, à l’échelle moléculaire.

Monoterpene Indole Alkaloids represent an iconic group of natural products both structurally diverse and endowed with various bioactivities. The biosynthetic processes shaping these complex were deeply dug during the last decades. Yet, the biochemical events giving rise to some MIA subtypes remain unknown, such as the mavacuran skeleton (e.g. pleiocarpamine). Plausible biochemical events to reach the mavacuran core were inferred since the 60s, assuming it to be derived from geissoschizine by an oxidative cyclization settling the N₁–C₁₆ bond. Nevertheless, these claims are not backed up by any experimental evidence This Ph.D thesis dealt with the cyclization reactions affording the mavacuran skeleton from geissoschizine. The ability to undertake this conversion through organic chemistry reactions enlightens its feasibility in oxidative conditions. Further, DFT calculations were carried out to investigate the mechanisms underpinning N₁–C₁₆ tethering. These calculations challenged the currently admitted biosynthetic schemes affording the akuammilan, secocuran, and strychnan scaffolds and led us to propose an alternative scenario proceeding through a “C₂–C₁₆” skeleton. A last salient aspect of this thesis consisted in the hemisynthesis of geissoschizine from oleuropein., Les alcaloïdes indolomonoterpéniques constituent une classe de molécules naturelles très étudiée en raison de leurs bioactivités et de leur diversité structurale. Les voies de biosynthèse menant à ces molécules font l'objet de nombreuses recherches depuis des décennies mais la biosynthèse de certains squelettes demeure inconnue, à l’image du squelette mavacurane (e.g. pléiocarpamine). Dès les années 60, il est proposé que le squelette mavacurane soit obtenu par une cyclisation consécutive à une oxydation de la geissoschizine, par la formation d’une liaison C–N. Cette thèse se concentre sur la cyclisation de la geissoschizine pour aboutir à la formation du squelette mavacurane par des voies chimiques. Ce couplage démontre que le squelette mavacurane peut être obtenu à partie de la geissoschizine en conditions oxydantes. Des calculs de structure électronique (DFT) ont également été menés pour comprendre les mécanismes de formation de la liaison C–N. Ces calculs ont également permis de proposer de nouvelles hypothèses concernant les mécanismes de formation des squelettes akuammilane, secocurane et strychnane, à partir d’un squelette « C₂–C₁₆ ». Une dernière partie du travail de cette thèse a consisté à développer une hémisynthèse de la geissoschizine à partir de l’oleuropéine.

Feline Immunodeficiency Virus (FIV) is a lentivirus such as Human Immunodeficiency Virus. This virus is a threat for veterinary medicine, and it infects wild and domestic feline species. Between 5 and 10 % of domestic cats are infected worldwide and all feline species are concerned by FIV, each type of FIV adapted to a host species. Infection by FIV leads to an immune deficiency similar to acquired immunodeficiency syndrome induced by HIV among human beings. There is currently no efficient drug against FIV. FIV virion is constituted by supramolecular structures which protect its genome, composed of a dimer of genomic RNA. The capsid is one of these structures and it contains and protects the genome. Reverse transcription occurs inside the capsid and the capsid helps integrate the viral genome into the cellular genome. The capsid protects the genomic RNA from degradation and viral RNA sensing by the antiviral restriction proteins. The viral capsid is an assembly of the capsid protein subunit, CA or p24. This protein assembles as pentamers or hexamers, which finally assemble to form the capsid. It interacts with other cellular partners. These interactions are well described for HIV-1, the most studied species of the lentivirus genus, but little is known for FIV. This ability to assemble helps for the budding of the virions at the plasma membrane and for the formation of supramolecular structures during maturation of the virion. The capsid stability inside the infected cell has a dual behavior, between the protection of the viral genome and its uncoating for the liberation of the genome after reverse transcription. These two behaviors show that capsid is a good therapeutic target. Inhibiting the capsid assembly or its uncoating are two approaches to interfere with the capsid and design drugs against FIV. Compounds which interact with the HIV-1 capsid are currently under clinical trials. As part of a collaboration with a Uruguayan research team, we identified a molecule which interferes with the FIV capsid assembly in vitro. We identified a specific binding of the compound on FIV p24, under its monomeric form. We measured the binding affinity and characterized the binding site of the compound. For the chacracterization of the binding site, we opted for the use of NMR and to do so, we needed the NMR assignment of the protein. Tis assignment had not been done previously and we performed it. We showed that the binding mechanism is similar as the drugs targeting HIV-1 p24 currently under clinical trials. These compounds exhibit a competition for the binding on FIV p24 with cellular proteins interacting with HIV-1 capsid, such as the nucleoporins. This competition could inhibit the entry of the viral genome into the nucleus. Considering these data on HIV-1 and our own experimental results on FIV capsid, we testes if the feline nucleoporins, homologous to the human nucleoporins binding HIV-1 capsid, could bind the FIV capsid and we characterized a binding of these feline nucleoporins on FIV p24. This suggests a mechanism shared among the lentiviruses for the entry into the nucleus through their capsid. This work represents the first steps for the identification of efficient and at low costs of synthesis drugs from screenings of derivatives of our structural guide, for the needs of veterinary medicine., Le virus de l’immunodéficience féline (Feline immunodeficiency virus, FIV) est un lentivirus, comme le virus de l’immunodéficience humaine. Il représente un enjeu de la médecine vétérinaire, aussi bien pour les animaux domestiques que sauvages. Il infecte entre 5 et 10 % des chats domestiques dans le monde, et l’ensemble des espèces félines est concerné par le FIV, dont les différents types sont chacun adaptés à une espèce hôte. L’infection au virus conduit à une immunodéficience similaire au syndrome d’immunodéficience acquise induite par le virus de l’immunodéficience humaine chez l’Homme. Il n’existe à ce jour aucun traitement efficace contre le FIV. Le FIV est constitué de structures supramoléculaires, protégeant son génome sous forme d’ARN génomique. La capside est une de ces structures et contient le génome viral. La capside protège le génome jusqu’à la réalisation de la rétrotranscription et participe à l’entrée du génome dans le noyau et à l’intégration du génome viral dans le génome cellulaire. La protection de l’ARN génomique avant la rétrotranscription prévient la détection de l’ARN viral par les protéines de restriction antivirale et sa dégradation. La capside virale est un assemblage d’une protéine sous-unitaire, la protéine de capside, CA ou p24, qui s’assemble en pentamères ou hexamères qui s’assemblent ultimement pour former la capside. La capside interagit avec de nombreux partenaires cellulaires. Ces interactions sont très bien décrites pour le VIH-1, l’espèce virale la plus étudiée du genre des lentivirus, mais sont moins bien caractérisées chez le FIV. Cette capacité à s’assembler de cette façon est requise au moment du bourgeonnement des virions à la membrane plasmique, et lors du réassemblage des sous-unités lors de la maturation du virion. La stabilité de la capside à l’intérieur de la cellule infectée a une ambivalence, entre la protection du génome viral, et la nécessité du désassemblage de la capside pour la libération du génome viral sous sa forme ADN. Ce double comportement montre en quoi la capside est une bonne cible thérapeutique. Perturber l’assemblage ou le stabiliser sont deux approches possibles pour interférer avec la capside et mettre au point des composés actifs contre l’infection au FIV. Pour le traitement du VIH-1, des composés interagissant avec la capside virale sont en cours d’essais cliniques. Dans le cadre d’une collaboration avec une équipe Uruguayenne , nous avons identifié une molécule interférant avec l’assemblage de la capside du FIV in vitro. Nous avons mis en évidence une fixation spécifique de la molécule sur FIV p24, sous sa forme monomérique. Nous avons mesuré l’affinité du composé pour FIV p24 et caractérisé son site de fixation. Pour la caractérisation de ce site de fixation, nous avons choisi d’utiliser la RMN et pour cela, nous avions besoin de l’attribution RMN de la protéine qui n’avait pas été faite préalablement, que nous avons ainsi réalisée. Nous avons montré que le mécanisme de fixation de notre composé est similaire à celui des traitements en cours d’essais cliniques contre VIH-1 p24. Ces molécules agissent par une compétition pour la fixation sur VIH 1 p24 avec des protéines cellulaires interagissant avec la capside du VIH-1, telles les nucléoporines, et cette compétition inhiberait l’entrée du génome viral dans le noyau. Avec ces données décrites chez le VIH-1 et nos résultats expérimentaux sur la capside du FIV, nous avons cherché si les nucléoporines félines, homologues aux nucléoporines humaines se liant à la capside du VIH-1, pouvaient se lier à la capside du FIV et avons montré une affinité de ces nucléoporines pour FIV p24. Cela soutient l’idée d’un mécanisme commun d’entrée des lentivirus dans le noyau des cellules infectées via leur capside. À terme, le criblage de molécules dérivées de notre molécule guide pourrait permettre l’identification de composés efficaces et peu chers à produire pour la médecine vétérinaire.

Commercial reverse osmosis (RO) membranes typically consist of an active aromatic polyamide layer (APA, thickness ∼200 nm), polymerized on a porous polysulfone support, itself attached to a polyester backing fabric. RO membranes are widely used in industrial waste-water treatments and their performances are essentially dominated by the active APA layer. However, neutral organic molecules rejections and the corresponding transfer behaviors are difficult to predict. In this work, we combined experimental structural characterizations and molecular modeling investigations on APA films, in order to improve transfer understanding at molecular level.APA layer of commercial CPA2 RO membrane and a set of free-standing APA films synthesized at four organic solvent temperatures (-20°C, 0°C, 15°C and 29°C) were investigated. Their structural properties including the morphology, topology, thickness, roughness, void fraction, effective density, dense layer density and chemical structure were characterized via various techniques such as Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM), Atomic Force Microscopy (AFM), Profilometry, Spectroscopic Ellipsometry, Dynamic water sorption (DVS), X-ray photoelectron spectra (XPS) and Atomic force microscopy-based infrared spectroscopy (AFM-IR). Both film types had a multi-level topological structure with a dense base upon which generates: a valley-ridge structure for CPA2 or a chimney-like structure for synthesized samples, for which thickness and chimneys size increased with temperature. Based on the obtained average void fraction of 35% and the apparent volumetric density of 0.81 g·cm-3, the density of the dense regions of CPA2 APA layer was calculated at 1.25 g·cm-3 when dry and 1.48 g·cm-3 when hydrated. This completes the very few experimental density values found for the dense part of commercial APA films. With the help of a new set of chemical structure descriptors, the chemical depth-heterogeneity of CPA2 APA layer was investigated. The film synthesized at -20°C performed a remarkable water uptake of 65% at 91%RH, which might be attributed to its orderly distributed and small-size chimney morphology on top-surface.All-atoms molecular models of APA polymer were constructed by forming amide bonds between trimesoyl chloride (TMC) and m-phenylenediamine (MPD) with a set of initial MPD:TMC monomers ratios, varying from 0.25 to 5. The purposes were, on one hand, to mimic APA’s possible depth-dependent heterogeneous structures with boxes of different cross-linking degrees; on the other hand, to understand the effect of different initial monomer proportions during the IP on APA film’s structure. Several steps were necessary in order to obtain equilibrated samples, including a very long (several microseconds) constant stress and temperature molecular simulation. Final MPD:TMC (connected) ratios ranging from 0.68 to 2.61 were observed, corresponding to systems with acyl/amine group connectivity degrees at 45%/100% or 99%/57%, respectively. These results were consistent with chemical structure evaluation of real APA films. A similar density around 1.26 g·cm-3 were observed for all systems, consistent with the experimental density of CPA2 APA.Water sorption isotherms were computed using Monte Carlo method in osmotic ensemble for several simulated polymer matrixes and were obtained via DVS for experimental layers. At low water activity, water sorption behaviors of simulated polymers were in agreement with experimental data, validating the overall simulation methodology. At high water activity, water absorption was underestimated by molecular simulations. This could be attributed to the existence of void space in real APA films. No significant swelling was observed in simulations, which was in agreement with our experimental results for CPA2.; Les membranes d’osmose inverse (OI) sont des membranes composites, dont la couche active de surface, directement responsable des performances de rétention, est en polyamide aromatique réticulé (PAA, épaisseur ∼200 nm), polymérisé sur un support poreux en polysulfone lui-même déposé sur une couche en polyester non tissé. L’osmose inverse est un procédé de plus en plus utilisé pour le traitement des effluents industriels mais le comportement des petits solutés organiques neutres reste difficile à prédire. Ce travail combine une approche expérimentale de caractérisation structurale de ce polymère avec une approche par modélisation moléculaire, afin d’améliorer la compréhension des phénomènes à l’échelle moléculaire.Nous avons étudié une membrane commerciale (CPA2) ainsi que des films auto-supportés, synthétisés au laboratoire à différentes températures du solvant organique (-20 °C, 0 °C, 15 °C et 29 °C). Leurs propriétés structurales (morphologie, topologie, épaisseur, rugosité, fraction de vide, densité apparente, densité de la phase dense et structure chimique) ont été analysées par différentes techniques comme la Microscopie Electronique à Balayage, la Microscopie à Force Atomique (AFM), la profilométrie, l’ellipsométrie, la sorption dynamique de vapeur, la spectrométrie photo-électronique X et la spectroscopie AFM à Infra-Rouge. Les deux familles de films sont constituées d’une base dense sur laquelle se trouve : une structure de type “crête-et-vallée” pour la CPA2 ; une structure avec des motifs “cheminées” pour les échantillons synthétisés. L’épaisseur moyenne et la taille des cheminées augmentent avec la température. A partir d’un taux de vide moyen de 35 % et d’une densité apparente de 0,81 g·cm-3 obtenus pour le PAA de la CPA2, on calcule pour sa phase dense une densité de 1,25 g·cm-3 pour le polymère sec, et de 1,48 g·cm-3 quand il est humide, ce qui représente une des très rares déterminations expérimentales pour le PAA dense d’une membrane commerciale. De nouveaux descripteurs ont été utilisés pour étudier le taux de réticulation de ce polymère. Dans le cas de la CPA2, ils permettent de déceler une hétérogénéité chimique dans l’épaisseur.Plusieurs constructions tout-atome du PAA ont été réalisées en créant des liaisons amides entre le chlorure de trimesoyle (TMC) et le m-phenylènediamine (MPD), pour des rapports initiaux en monomères (MPD : TMC) variant entre 0,25 et 5. On souhaite mimer ainsi les hétérogénéités de composition dans les membranes et comprendre l’influence des concentrations initiales en réactifs sur la structure du film. Plusieurs étapes de modélisation ont été nécessaires pour atteindre l’équilibre, en particulier une longue simulation (plusieurs microsecondes) à tenseur de pression et température constantes. La composition en monomères dans les structures construites varie entre 0,68 et 2,61, correspondant à des fractions de groupements acyl/amine ayant réagi, respectivement de 0,45/1,0 à 0,99/0,57. Ces résultats sont cohérents avec les structures de films de PAA expérimentaux. La densité moyenne des boîtes de simulation est pratiquement indépendante du détail de la structure, de l’ordre de 1,26 g·cm-3, en accord avec nos résultats sur la CPA2.Des isothermes de sorption d’eau ont ensuite été réalisés pour l’ensemble des films expérimentaux et par Monte Carlo dans l’ensemble osmotique pour plusieurs matrices polymères simulées. A faible activité en eau, les résultats simulés sont cohérents avec ceux des films expérimentaux, validant ainsi l’ensemble de la méthodologie de modélisation. A forte activité en eau, la prise en eau est inférieure à celle observée expérimentalement. Ceci pourrait être attribué à la présence de “vides” dans les matériaux réels. Enfin, on note une quasi absence de gonflement en simulation, en accord avec nos résultats expérimentaux pour la CPA2.

KV7.1 is a voltage-gated ion channel that open to selectively diffuse K+ ions across the plasma membrane upon membrane depolarization. In the myocardium tissue, KV7.1 channel is co-expressed with the ancillary subunit KCNE1 to generate the IKS current during cardiac action potential. The mutations of KV7.1 and KCNE1that are linked to severe cardiac arrhythmias make KV7.1 channel a major therapeutic target. Each α-subunit of KV7.1 tetramer counts six transmembrane helices (S1 to S6), the first four ones forming the voltage-sensor domain (VSD), and the last two ones forming the pore domain (PD). This channel has a 2-step activation mechanism involving three stable states: resting, intermediate and activated. These conformations can induce pore opening or closure by a process called VSD-PD coupling. Accordingly, the states for KV7.1 channel are Resting/Closed (RC), Intermediate/Open (IO) and Activated/Open (AO). In the presence of KCNE1, the coupling is inhibited in the intermediate state, thus the states for IKS channel are RC, Intermediate/Closed (IC) and AO. Furthermore, the lipid PIP2 (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate) plays a crucial role in the VSD-PD coupling of KV7 channels. Despite the information drawn from both functional and structural studies of KV7.1, the modulation mechanisms of its VSD-PD coupling by KCNE1 and PIP2 remain unclear at an atomistic level. With the help of powerful computational tools, we designed molecular models of Kv7.1 in order to have a better understanding of its function. The study of these models, conducted in collaboration with Pr. Jianmin Cui’s research team (Washington University of Saint-Louis, USA) allowed us to obtain four novel results about the way Kv7.1 opens. Indeed, this joint study revealed a novel VSD-PD coupling mechanism that we conceptualized by a “hand-and-elbow” model likely to occur in all domain swapped (KV1- KV7) channels. The analyses of IKS MD trajectories suggest that KCNE1 disrupts the “hand-and-elbow” model. In addition, the interactions between KCNE1 and PIP2 form a tourniquet around the cytoplasmic region of S6, leading to pore closure in both RC and IC models. Finally, the S6 helix of KV7.1 has a motif SFF (338-340), highly conserved in KV7 family, which forms an unidentified hydrophobic gate in KV7.1 pore. Two of these results were confirmed by in vitro experiments conducted by our collaborators on this channel, which validates the quality of our models for innovative therapeutic research., KV7.1 est un canal ionique voltage-dépendant qui diffuse des ions K+ à travers la membrane plasmique lorsque cette dernière se dépolarise. Au sein du myocarde, KV7.1 est co-exprimé avec la sous-unité auxiliaire KCNE1 pour générer le courant IKS lors du potentiel d’action cardiaque. Les mutations de KV7.1 et de KCNE1 associées à des arythmies cardiaques sévères font du canal KV7.1 une cible thérapeutique majeure. KV7.1 est un tétramère dont chaque sous-unité α compte six hélices transmembranaires (S1 à S6). Les quatre premières hélices forment le domaine sensible au voltage (VSD), tandis que les deux dernières forment celui du pore (PD). Le mécanisme d’activation de KV7.1 s’effectue en deux étapes, stabilisant le VSD en trois états stables : repos, intermédiaire, et activé. Ces conformations peuvent induire l’ouverture ou la fermeture du pore via un processus appelé couplage VSD-PD. Ainsi, les états de KV7.1 sont Repos/Fermé (RC), Intermédiaire/Ouvert (IO) et Activé/Ouvert. En présence de KCNE1, le couplage n’a pas lieu à l’état intermédiaire, donc les états du complexe IKS sont RC, Intermédiaire/Fermé (IC) et AO. En outre, le lipide PIP2 (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate) est indispensable au couplage VSD-PD des canaux KV7. Malgré ces informations apportées par les études expérimentales du canal KV7.1, le mécanisme de modulation de son couplage par ses modulateurs KCNE1 et PIP2 à l’échelle atomistique reste à découvrir. A l’aide de puissants outils informatiques, nous avons conçu des modèles moléculaires de KV7.1 afin de mieux comprendre sa fonction. L’étude de ces modèles, menées en collaboration avec l’équipe de recherche du Pr. Jianmin Cui (Université Washington de Saint-Louis, Etats-Unis) nous a permis d’obtenir quatre résultats innovants sur la manière dont KV7.1 s’ouvre. En effet, cette étude intégrative a permis de conceptualiser un modèle de couplage inédit pour KV7.1, appelé « main- et-coude » et ayant lieu dans l’ensemble des familles de canaux KV1 à KV9. Les analyses des trajectoires DM de IKS indiquent que KCNE1 perturbe le modèle « main-et-coude ». De plus, es interactions entre KCNE1 et PIP2 autour des hélices S6 forment un garrot induisant la fermeture du pore dans les états RC et IC. Enfin, l’hélice S6 de KV7.1 contient un motif SFF (338-340), conservé au sein de la famille KV7, qui forme une porte hydrophobe inédite. Deux de ces résultats ont été confirmés par les résultats expérimentaux obtenus par nos collaborateurs, validant la qualité de nos modèles pour de futures recherches thérapeutiques.

The herein thesis represents a complex study of photosensitive azopolysiloxanes and rejoins both theoretical and experimental techniques. The theme revolves around the azopolymer’s mass transport phenomenon induced by the photoisomerization of azobenzenes. Trans- to cis conversion of azobenzene and its derivatives is a reversible light actuated process that enables the rearrangement of surrounding matter at nano and micro level. This property is exploited to fabricate surface relief gratings (SRG) with certain geometrical features. The present studies are directed to comprehension of this complex mechanism, subject to great controversial among different research groups. The parameters that control the process are addressed and analyzed. Experimental study comprises the synthesis and characterization of four azopolysiloxanes which are then analyzed for the capacity to obtain SRG. Photochromic behaviour is evaluated through irradiation experiments at different light intensity, in the presence or absence of an assistance light that supposedly intensifies isomerization. Computer simulation focuses on diffusion of the molecules in the system: one azobenzene – like molecule (molecular motor) diluted in the host medium. Molecular modeling calculations are performed for motors with different lengths and with various isomerization times (fast or slow isomerization) in order to define the relation between these parameters and diffusion. Providing experimental and theoretical info on azopolymers is part of the SRG formation insight.; La présente thèse représente une étude complexe des azopolysiloxanes photosensibles et rejoint les techniques théoriques et expérimentales. Le thème tourne autour du phénomène de transport de masse des azopolymères induit par la photoisomérisation des azobenzènes. La conversion transt – cis de l'azobenzène et de ses dérivés est un processus réversible actionné par la lumière, qui permet le réarrangement de la matière environnante au niveau nano et micro. Cette propriété est exploitée pour fabriquer des réseaux de relief de surface (SRG) avec caractéristiques géométriques specifiques. Les présentes études visent à comprendre ce mécanisme complexe, sujet à une grande controverse parmi les différents groupes de recherche. Les paramètres qui contrôlent le processus sont traités et analysés. L'étude expérimentale comprend la synthèse et la caractérisation de quatre azopolysiloxanes qui sont ensuite analysés pour leur capacité d'obtenir des SRG. Le comportement photochromique est évalué par des expériments d'irradiation à différentes intensités lumineuses, en présence ou l'absence d'une lumière d'assistance qui devrait intensifier l'isomérisation. La simulation informatique se concentre sur la diffusion des molécules dans le système: une molécule de type azobenzène (moteur moléculaire) diluée dans le milieu hôte. Des calculs de modélisation moléculaire sont effectués pour des moteurs de différentes longueurs et avec différents temps d'isomérisation (isomérisation rapide ou lente) afin de définir la relation entre ces paramètres et la diffusion. Fournir des informations expérimentales et théoriques sur les azopolymères, est trop important pour comprendre la formation de SRG.

The aim of this work is to identify NMR and CD characteristic patterns for β- and γ-turns in bioactive peptides by molecular modelling. With helices, β- and γ-turns constitute favoured recognition motifs in bioactive peptides by their targets. Even though several classes of turns with different geometries exist in polypeptide structures (2 γ-turn types and 12 β-turn types), few experimental tools are available for their characterization. Thus, only 4 types of β-turns (I, I’, II et II’) have been, at present, described by NMR and there are no reliable reference CD spectra for turns. In order to extend the NMR data for all β- and γ-turn types, we analyzed NMR structural parameters (inter-hydrogen distances and ᶾJʜɴ-ʜꭤ coupling constants) in a representative peptide model dataset extracted from the PDB. The inter-hydrogen distance analysis allowed to identify specific NMR patterns for the two γ-turn types and for four β-turn types (IV₁, IV₂,, VIb and VIII). ᶾJʜɴ-ʜꭤ coupling constant may be used to confirm the identification and to remove ambiguities. Then, we simulated the reference CD spectra of model peptides adopting type I, I’, II and II’ β-turn conformations by combining molecular dynamic simulations and TDDFT computations. These computations allowed to determine two families of specific CD spectra : types I/II’, on one side and types I’/II, on the other. All these results indicate that the turns do not present the same patterns in both techniques. The combination of NMR and CD could therefore allow a better identification of the nature and the different types of turns.; Ce travail de thèse a porté sur la recherche, par modélisation moléculaire, de signatures RMN et DC caractéristiques pour les coudes γ et β dans les peptides bioactifs. Les coudes γ et β, avec les hélices, constituent des motifs privilégiés de reconnaissance des peptides bioactifs par leurs cibles. Or, bien qu’il existe, au sein des structures de polypeptides, plusieurs catégories de coudes possédant des géométries différentes (2 types de coudes γ et 12 types de coudes β), peu d’outils expérimentaux sont disponibles pour aider à leur distinction. Ainsi, seuls 4 types de coudes β (I, I’, II et II’) ont, pour l’instant été caractérisés par RMN et il n’existe pas de spectre DC de référence fiable pour aucun motif de type coude. Dans un premier temps, afin d’élargir la base de données de RMN pour tous les types de coudes β (I, I’, II, II’, IV₁, IV₂, IV₃, IV₄, Via1, Via2, VIb et VIII) et γ (classique et inverse), nous avons analysé les paramètres structuraux caractéristiques de RMN (distances inter-hydrogènes et constantes de couplages ᶾJʜɴ-ʜꭤ) sur un ensemble de peptides modèles, extraits de la banque de protéines PDB et représentatifs de ces coudes. Les analyses des distances inter-hydrogènes ont permis d’identifier des signatures RMN caractéristiques pour différencier les deux types de coudes γ et certains types de coudes β (IV₁, IV₂,, VIb et VIII). La constante de couplage ᶾJʜɴ-ʜꭤ pourra servir à confirmer l’identification et à lever des ambiguïtés. Dans un second temps, en couplant dynamique moléculaire et TDDFT, nous avons simulé les spectres de DC de référence de peptides modèles adoptant des conformations de coudes β de type I, I’, II et II’. Les simulations ont permis de discerner deux familles de spectres DC caractéristiques : les types I/II’ d’un côté et les types I’/II de l’autre. L’ensemble de ces résultats indique que les coudes ne présentent pas nécessairement les mêmes signatures pour les deux techniques. La combinaison des signatures discriminantes de RMN et de DC pourrait donc permettre une meilleure identification des natures et des différents types de coudes.

Y-doped BaZrO$_3$ is a promising proton conductor for intermediate temperature solid oxide fuel cells. In this work, a combination of static DFT calculations and DFT based molecular dynamics (DFT-MD) was used to study proton conduction in such a material. Geometry optimisations of 100 structures with a 12.5% dopant concentration allowed us to identify a clear correlation between the bending of the metal-oxygen-metal angle and the energies of the simulated cells. Depending on the type of bending, two configurations, designated as inwards bending and outwards bending, were defined. The results demonstrate that a larger bending decreases the energy and that the lowest energies are observed for structures combining inwards bending with protons being close to the dopant atoms. These lowest energy structures are the ones with the strongest hydrogen bonds. DFT-MD simulations in cells with different yttrium distributions provide complementary microscopic information on proton diffusion as they capture the dynamic distortions of the lattice caused by thermal motion. A careful analysis of the proton jumps between different environments confirmed that the inwards and outwards bending states are relevant for the understanding of proton diffusion. Indeed, intra-octahedral jumps were shown to only occur starting from an outwards configuration while the inwards configuration seems to favor rotations around the oxygen. On average, in the DFT-MD simulations, the hydrogen bond lengths are shorter for the outwards configuration which facilitates the intraoctahedral jumps. Diffusion coefficients and activation energies were also determined and compared to previous theoretical and experimental data showing a good agreement with previous data corresponding to local proton motion., Comment: Preprint

Kinetoplastids is a group of flagellated protozoans including parasites causing worldwide spread disease, threatening millions of people. Because they are eukaryotes, like their mammalian hosts, their molecular complexes of translation are highly conserved with their hosts. This conservation massively slowdown the development of new drugs targeting ribosomes which is a well-known therapeutic target. Indeed, actual drugs are often toxic and induce negative secondary effects on the host. Despite the conservation, their protein biosynthesis pathway contains specificities. Structural studies by cryo-EM of their translation complexes could lead to the development of safer antiparasitic drugs by discovering new potential therapeutic targets specific to kinetoplastids. During our projects, we discovered a novel kinetoplastid-specific ribosomal protein (KSRP). Moreover, we discovered a new helicase named DDX60-like that might play an important role during translation initiation. We also depicted the potential role of expansion segments ES6s and ES7s as a docking platform for eIF3 as well as proposing the first kinetoplastid eIF3 model from T.cruzi., Les kinétoplastides sont un groupe de protozoaires flagellés dont quelques espèces parasites exclusives causent des maladies menaçant plusieurs millions de personnes à travers le monde. Etant des espèces eucaryotes parasitant d’autres espèces eucaryotes comme les mammifères, il existe une forte conservation de leurs complexes moléculaires de la traduction. Cela freine énormément l’avancée du développement des traitements antibiotiques ciblant ces complexes car les antibiotiques vont également cibler ceux de l’hôte, entrainant des effets secondaires néfastes. Malgré cette conservation, leur mécanisme de biosynthèse des protéines comporte des spécificités uniques comparé à leurs hôtes. L’étude au niveau structurale de leurs complexes d’initiation de la traduction par cryo-microscopie électronique pourrait permettre de mettre en avant ces spécificités qui pourront être utilisées pour des études plus poussées telles que le développement d’antibiotique ciblant spécifiquement les parasites en évitant les effets secondaires néfastes des traitements actuels.

My thesis focused on the molecular modeling of alkaline silicate solutions. The originality of our approach is the use of classical molecular dynamics, which is suited to study equilibrium properties, to reactive systems. The aim of this work is to understand ion-ion interactions in of such electrolyte solutions. To this end, polarizable force fields have been developed to describe the solvation properties of the hydroxide anion and the silicate oligomers.First, the structural and thermodynamics properties of concentrated aqueous solutions of alkali hydroxide MOH (M+ = Li+, Na+, K+, and Cs+) have been studied over a wide range of concentrations. Theoretical WAXS intensities calculated from our simulations are in good agreement with the experimental data. In addition, we pointed out a weak association of the MOH ion pairs, even at high concentrations. This was confirmed by the calculations of the association constants of ion pairs (KMOH = 0.1 L mol-1) which are in good agreement with the data available in the literature. Further- more, based on the McMillan-Mayer potentials calculated from the molecular dynamics simulations, Monte Carlo simulations have been performed to calculate the osmotic coefficients of MOH solutions.Then, we focused on the structural properties of alkaline solutions containing silicate oligomers, typically monomers (Si(OH)4, SiO(OH)-) and dimers (Si2O2(OH)5-, Si2O3(OH)42-). Thus, we first developed an "universal" force field allowing for describing a large number of silicate oligomers. These simulations highlighted a Na+ adsorption dependent on the silicate speciation and a low interaction between the hydroxide anions and the silicates.Finally, by taking into account the connectivity of silicon atoms (determined by 29Si NMR) and the average oligomer radius (determined by X-ray scattering measurements), we have simulated the behaviour of "real" experimental solutions, and we have explained the influence of the alkali’s nature on the structural and dynamical properties., Ma thèse porte sur la modélisation moléculaire de solutions silicatées en milieu alcalin. L’originalité de l’approche est d’appliquer une description classique par dynamique moléculaire (sans rupture ni création de liaisons) pour des systèmes connus pour être réactifs. Le but est de comprendre les interactions ion-ion dans ces solutions d’électrolytes. Pour y parvenir, des champs de force polarisables ont été développés pour décrire les propriétés de solvatation de l’anion hydroxyde et des oligomères de silicates. Dans un premier temps, les propriétés structurales et thermodynamiques des solutions concentrées d’hydroxyde d’alcalin MOH (M+ = Li+, Na+, K+ et Cs+) ont été étudiées sur une large gamme de concentrations. Les intensités WAXS théoriques calculées à partir de nos simulations sont en bon accord avec les données expérimentales. De plus, nous avons mis en évidence une faible association des paires MOH même à forte concentration. Cela a été confirmé par le calcul des constantes d’association des paires ioniques (KMOH = 0,1 L mol-1) qui sont en bon accord avec la littérature. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux propriétés structurales de solutions alcalines contenant des oligomères de silicates, notamment des monomères (Si(OH)4, SiO(OH)-) et des dimères (Si2O2(OH)5-, Si2O3(OH)42-). Nous avons donc, dans un premier temps, développé un champ de force « universel » permettant de modéliser un très grand nombre d’oligomères de silicates. Ces simulations ont permis de mettre en évidence une adsorption des cations Na+ dépendante de la spéciation en silicates et une faible interaction entre les hydroxydes et les silicates. Enfin, en prenant en compte la connectivité des atomes de silicium (déterminée par RMN du 29Si) et le rayon moyen des oligomères (déterminé par des mesures de diffusion des rayons X), nous avons modélisé le comportement de solutions « réelles » expérimentales et expliqué l’influence de la nature des alcalins sur les propriétés structurales et dynamiques.

Many chemicals are likely to lead to incompatibility when they are brought into voluntary or accidental contact with other substances or materials. To control these chemical risks, particularly in the industrial environment, a rapid and precise identification of these incompatibilities is necessary. This identification is carried out so far by laboratory tests (DSC) and the results are collected, for example, in the safety data sheets of each product and in tables of incompatibility existing in the literature. However, the information provided is limited and does not make it possible to identify and understand the cause-effect relationship of the incompatibility between two substances concerned, nor the chemical mechanism by which this incompatibility occurs. In this context, a priori prediction of the reactivity between two molecules or more by molecular modeling becomes a complementary tool to the experimental tests in order to be able to reliably understand and predict the reaction paths and the products that form when chemical substances are in touch. A first thesis (S. Cagnina, 2011-2014), in collaboration with Chimie ParisTech, aims to improve the understanding of the mechanisms of chemical incompatibilities between chemical substances to increase the safety of substances during their use, storage and transport. Was interested in understanding at the molecular level some mechanisms of chemical incompatibilities involving ammonium nitrate (NA) using the tools of quantum chemistry, such as DFT. The proposed thesis aims to accumulate cases of incompatibility studies of contaminants with the NA to develop prediction methods (focusing on the key steps of the reaction mechanisms) of the presence or absence of incompatibility and thus go towards the Development of a prediction computer tool. Another scientific challenge is to associate with thermodynamic considerations, the kinetic dimension, to predict in particular the kinetics of formation of dangerous products. The results will be tested at INERIS or CERL (Canadian Explosive Research Laboratory)., De nombreuses substances chimiques sont susceptibles de mener à des phénomènes d’incompatibilité, lors de leur mise en contact volontaire ou accidentelle avec d’autres substances ou matériaux. Pour maîtriser ces risques chimiques, notamment dans l’environnement industriel, une identification rapide et précise de ces incompatibilités est nécessaire. Cette identification s’effectue, jusqu’à présent, par des essais de laboratoire (DSC) et les résultats sont collectés, par exemple, dans les fiches de données de sécurité de chaque produit et dans des tables d’incompatibilité existant dans la littérature. Cependant, les informations fournies sont limitées et ne permettent pas d’identifier et de comprendre la relation cause-effet de l’incompatibilité entre deux substances concernées, ni le mécanisme chimique par lequel cette incompatibilité se produit. Dans ce contexte, la prédiction a priori de la réactivité entre deux molécules, ou plus, par modélisation moléculaire devient un outil complémentaire aux essais expérimentaux pour pouvoir comprendre et prédire de manière fiable les chemins réactionnels et les produits qui se forment lorsque des substances chimiques sont en contact. En vue d’améliorer la compréhension des mécanismes d’incompatibilités chimiques entre substances chimiques pour accroître la sécurité liée aux substances pendant leur utilisation, stockage et transport, une première thèse (S. Cagnina, 2011-2014), en collaboration avec Chimie ParisTech, s’est intéressée à comprendre à l’échelle moléculaire quelques mécanismes d’incompatibilités chimiques mettant en jeu le nitrate d'ammonium (NA) en utilisant les outils de chimie quantique, telle que la DFT . La thèse proposée vise à accumuler des cas d’études d’incompatibilités de contaminants avec le NA pour développer des méthodes de prédiction (en se focalisant sur les étapes clés des mécanismes réactionnels) de la présence ou non d’incompatibilité et ainsi aller vers le développement d’un outil informatique de prédiction. Un autre enjeu scientifique est d’associer aux considérations thermodynamiques, la dimension cinétique, pour prévoir notamment la cinétique de formation de produits dangereux. Les résultats seront confrontés à des essais réalisés à l’INERIS ou au CERL (Canadian Explosive Research Laboratory).

In this work, we optimized the culture conditions of Dunaliella salina sp, isolated from the Tunisian coast to increase carotenoids production. For that, we performed a Box-Behnken experimental design to study the effects and interactions between salinity, light intensity and nitrogen supply conditions. We succeeded to improve the intracellular production of carotenoids by five-fold. Subsequently, we studied the characteristics of cultured cells under stress (DSS) and control (DSC) conditions as well as the transcriptional modifications of the genes involved in stress response and β-carotene synthesis. Amongst studied genes, Lycopene β cyclase gene (LCYB) and Carotene globular protein gene (Cgp) were significantly overexpressed. 3D structures of the corresponding proteins and their posttranslational modifications have been determined. The anticancer activity of this strain cultivated under normal (DSC) or stressed (DSS) conditions was explored showing that the aqueous extract of DSS was four times more toxic than DSC one against murine breast cancer 4T1 cells. The extract was also active against A549 human lung adenocarcinoma cells and human Hela cells of cervical cancer. The study of the genomic DNA fragmentation of the treated 4T1 cells indicates that the extract induces an apoptosis cell death. Validation of these results by Western Blot was also performed by proving the activation of caspases 3 and 9 and the deactivation of PARP-1. In vivo experiments were performed on Balb/c mice that have been orthotopically implanted with 4T1 cells into the mammary glands. The results show a delay of the tumor growth and a decrease of the tumor size in mice treated with DSS aqueous extract. Interestingly, an activation of the anti-cancer immunity was observed with an increase of Natural Killer cells, activated cytotoxic lymphocytes and plasmacytoid DC as well as repression of immunosuppressive myeloid cells and enzymes (Arg-1, NOS-2 and COX-2). Altogether, our data reveal the potentiality of D. salina aqueous extract grown under stressed conditions as anti-cancer agent, which deserves attention in the future., Nous nous sommes intéressés à optimiser la production de caroténoïdes par les microalgues Dunaliella salina isolées des côtes tunisiennes, via un plan d’expérience du type Box-Behnken en étudiant les effets et les interactions entre la salinité, l’intensité lumineuse et l’approvisionnement en azote. Nous avons trouvé des conditions permettant une augmentation de 5 fois la production intracellulaire de caroténoïdes. Nous avons étudié les caractéristiques des cellules cultivées en condition de stress (DSS) ou non (DSC) et les modifications transcriptionnelles des gènes impliqués dans la réponse au stress et la synthèse de β-carotène. Les gènes de la Lycopène β cyclase (LCYB) et de la protéine globulaire associée au carotène (Cgp) sont surexprimés. Les structures 3D des deux protéines codées par ces gènes et leurs modifications post-traductionnelles ont été déterminées. L’activité anticancéreuse d’extrait de cette souche cultivée dans des conditions normales (DSC) ou stressées (DSS) a été testée sur des cellules 4T1 de cancer de sein murin. L’extrait aqueux DSS est plus toxique que celui issu de DSC. L’étude de la fragmentation de l’ADN génomique des cellules traitées met en évidence une apoptose avec une activation des caspases 3 et 9 et la désactivation de PARP-1. Pour valider ces résultats, une expérimentation in vivo a été menée sur des souris Balb/c implantées avec des cellules 4T1 dans la glande mammaire. Les résultats montrent une diminution de la taille de la tumeur des souris traitées et un retard de croissance. Cette activité a été accompagnée d’une activation de l’immunité anticancéreuse chez les souris traitées avec une infiltration de cellules Natural killers, de lymphocytes cytotoxiques et de cellules dendritiques plasmacytoÏdes ainsi qu’une diminution de macrophages immunosuppresseurs. L’ensemble de nos résultats révèle la potentialité de l’extrait aqueux de cette micro algue comme anti-cancéreux qui mériterait d’être développée ultérieurement.

In this work, we optimized the culture conditions of Dunaliella salina sp, isolated from the Tunisian coast to increase carotenoids production. For that, we performed a Box-Behnken experimental design to study the effects and interactions between salinity, light intensity and nitrogen supply conditions. We succeeded to improve the intracellular production of carotenoids by five-fold. Subsequently, we studied the characteristics of cultured cells under stress (DSS) and control (DSC) conditions as well as the transcriptional modifications of the genes involved in stress response and β-carotene synthesis. Amongst studied genes, Lycopene β cyclase gene (LCYB) and Carotene globular protein gene (Cgp) were significantly overexpressed. 3D structures of the corresponding proteins and their posttranslational modifications have been determined. The anticancer activity of this strain cultivated under normal (DSC) or stressed (DSS) conditions was explored showing that the aqueous extract of DSS was four times more toxic than DSC one against murine breast cancer 4T1 cells. The extract was also active against A549 human lung adenocarcinoma cells and human Hela cells of cervical cancer. The study of the genomic DNA fragmentation of the treated 4T1 cells indicates that the extract induces an apoptosis cell death. Validation of these results by Western Blot was also performed by proving the activation of caspases 3 and 9 and the deactivation of PARP-1. In vivo experiments were performed on Balb/c mice that have been orthotopically implanted with 4T1 cells into the mammary glands. The results show a delay of the tumor growth and a decrease of the tumor size in mice treated with DSS aqueous extract. Interestingly, an activation of the anti-cancer immunity was observed with an increase of Natural Killer cells, activated cytotoxic lymphocytes and plasmacytoid DC as well as repression of immunosuppressive myeloid cells and enzymes (Arg-1, NOS-2 and COX-2). Altogether, our data reveal the potentiality of D. salina aqueous extract grown under stressed conditions as anti-cancer agent, which deserves attention in the future., Nous nous sommes intéressés à optimiser la production de caroténoïdes par les microalgues Dunaliella salina isolées des côtes tunisiennes, via un plan d’expérience du type Box-Behnken en étudiant les effets et les interactions entre la salinité, l’intensité lumineuse et l’approvisionnement en azote. Nous avons trouvé des conditions permettant une augmentation de 5 fois la production intracellulaire de caroténoïdes. Nous avons étudié les caractéristiques des cellules cultivées en condition de stress (DSS) ou non (DSC) et les modifications transcriptionnelles des gènes impliqués dans la réponse au stress et la synthèse de β-carotène. Les gènes de la Lycopène β cyclase (LCYB) et de la protéine globulaire associée au carotène (Cgp) sont surexprimés. Les structures 3D des deux protéines codées par ces gènes et leurs modifications post-traductionnelles ont été déterminées. L’activité anticancéreuse d’extrait de cette souche cultivée dans des conditions normales (DSC) ou stressées (DSS) a été testée sur des cellules 4T1 de cancer de sein murin. L’extrait aqueux DSS est plus toxique que celui issu de DSC. L’étude de la fragmentation de l’ADN génomique des cellules traitées met en évidence une apoptose avec une activation des caspases 3 et 9 et la désactivation de PARP-1. Pour valider ces résultats, une expérimentation in vivo a été menée sur des souris Balb/c implantées avec des cellules 4T1 dans la glande mammaire. Les résultats montrent une diminution de la taille de la tumeur des souris traitées et un retard de croissance. Cette activité a été accompagnée d’une activation de l’immunité anticancéreuse chez les souris traitées avec une infiltration de cellules Natural killers, de lymphocytes cytotoxiques et de cellules dendritiques plasmacytoÏdes ainsi qu’une diminution de macrophages immunosuppresseurs. L’ensemble de nos résultats révèle la potentialité de l’extrait aqueux de cette micro algue comme anti-cancéreux qui mériterait d’être développée ultérieurement.

Methane hydrate is a non-stoichiometric crystal in which water molecules form hydrogen-bonded cages that entrap methane molecules. Abundant methane hydrate resources can be found on Earth, especially trapped in mineral porous rocks (e.g., clay, permafrost, seafloor, etc.). For this reason, understanding the thermodynamics and formation kinetics of methane hydrate confined in porous media is receiving a great deal of attention. In this thesis, we combine computer modeling and theoretical approaches to determine the thermodynamics and formation kinetics of methane hydrate confined in porous media. First, the state-of-the-art on the thermodynamics and formation kinetics of methane hydrate is presented. Second, different molecular simulation strategies, including free energy calculations using the Einstein molecule approach, the direct coexistence method, and the hyperparallel tempering technique, are used to assess the phase stability of bulk methane hydrate at various temperatures and pressures. Third, among these strategies, the direct coexistence method is chosen to determine the shift in melting point upon confinement in pores, ∆Tm=Tm^{pore}-Tm^{bulk} where Tm^{pore} and Tm^{bulk} are the melting temperatures of bulk and confined methane hydrate. We found that confinement decreases the melting temperature, Tm^{pore}≺Tm^{bulk}. The shift in melting temperature using the direct coexistence method is consistent with the Gibbs-Thompson equation which predicts that the shift in melting temperature linearly depends on the reciprocal of pore width, i.e., ∆Tm/Tm^{bulk}∼k{GB}/Dp. The quantitative validity of this classical thermodynamic equation to describe such confinement and surface effects is also addressed. The surface tensions of methane hydrate-substrate and liquid water-substrate interfaces are determined using molecular dynamics to quantitatively validate the Gibbs-Thompson equation. Molecular dynamics simulations are also performed to determine important thermodynamic properties of bulk and confined methane hydrate: (a) thermal conductivity λ using the Green-Kubo formalism and the autocorrelation function of the heat-flux and (b) the thermal expansion αP and isothermal compressibility κT. Finally, some conclusions and perspectives for future work are given.; L'hydrate de méthane est un cristal non-stœchiométrique dans lequel les molécules d'eau forment des cages liées par liaison hydrogène qui piégent des molécules de méthane. Des ressources abondantes en hydrate de méthane peuvent être trouvées sur Terre, en particulier dans les roches poreuses minérales (par exemple, l'argile, le permafrost, les fonds marins, etc.). Pour cette raison, la compréhension de la thermodynamique et de la cinétique de formation de l'hydrate de méthane confiné dans des milieux poreux suscite beaucoup d'attention. Dans cette thèse, nous combinons la modélisation moléculaire et des approches théoriques pour déterminer la thermodynamique et la cinétique de formation de l'hydrate de méthane confiné dans des milieux poreux. Tout d'abord, l'état de l'art en matière de thermodynamique et de cinétique de formation de l'hydrate de méthane est présenté. Deuxièmement, différentes stratégies de simulation moléculaire, y compris des calculs d'énergie libre utilisant l'approche de la molécule d'Einstein, la méthode de coexistence directe et la technique textit{hyperparallel tempering}, sont utilisées pour évaluer la stabilité de l'hydrate de méthane à différentes températures et pressions. Troisièmement, parmi ces stratégies, la méthode de coexistence directe est choisie pour déterminer le déplacement du point de fusion lors du confinement dans des pores, ∆Tm=Tm^{pore}-Tm^{bulk} où Tm^{pore} et Tm^{bulk} sont les températures de fusion d'hydrate de méthane non confiné et confiné. Nous avons constaté que le confinement diminue la température de fusion, Tm^{pore}≺Tm^{bulk}. Le changement de température de fusion en utilisant la méthode de la coexistence directe est cohérent avec l'équation de Gibbs-Thompson qui prédit que le décalage de la température de fusion dépend linéairement de l'inverse de la taille des pores, ∆Tm/Tm^{bulk}∼k{GT}/Dp. La validité quantitative de cette équation thermodynamique classique pour décrire de tels effets de confinement et de surface est également abordée. Les tensions de surface des interfaces hydrate-substrat et eau-substrat sont déterminées à l'aide de la dynamique moléculaire pour valider quantitativement l'équation de Gibbs-Thompson. Des simulations de dynamique moléculaire sont également effectuées pour déterminer les propriétés thermodynamiques importantes de l'hydrate de méthane non confiné et confiné: (a) conductivité thermique λ en utilisant le formalisme de Green-Kubo et la fonction d'autocorrélation du flux thermique; (b) expansion thermique αP et compressibilité isotherme κT. Enfin, des conclusions et perspectives pour des travaux futurs sont présentées.

Methane hydrate is a non-stoichiometric crystal in which water molecules form hydrogen-bonded cages that entrap methane molecules. Abundant methane hydrate resources can be found on Earth, especially trapped in mineral porous rocks (e.g., clay, permafrost, seafloor, etc.). For this reason, understanding the thermodynamics and formation kinetics of methane hydrate confined in porous media is receiving a great deal of attention. In this thesis, we combine computer modeling and theoretical approaches to determine the thermodynamics and formation kinetics of methane hydrate confined in porous media. First, the state-of-the-art on the thermodynamics and formation kinetics of methane hydrate is presented. Second, different molecular simulation strategies, including free energy calculations using the Einstein molecule approach, the direct coexistence method, and the hyperparallel tempering technique, are used to assess the phase stability of bulk methane hydrate at various temperatures and pressures. Third, among these strategies, the direct coexistence method is chosen to determine the shift in melting point upon confinement in pores, ∆Tm=Tm^{pore}-Tm^{bulk} where Tm^{pore} and Tm^{bulk} are the melting temperatures of bulk and confined methane hydrate. We found that confinement decreases the melting temperature, Tm^{pore}≺Tm^{bulk}. The shift in melting temperature using the direct coexistence method is consistent with the Gibbs-Thompson equation which predicts that the shift in melting temperature linearly depends on the reciprocal of pore width, i.e., ∆Tm/Tm^{bulk}∼k{GB}/Dp. The quantitative validity of this classical thermodynamic equation to describe such confinement and surface effects is also addressed. The surface tensions of methane hydrate-substrate and liquid water-substrate interfaces are determined using molecular dynamics to quantitatively validate the Gibbs-Thompson equation. Molecular dynamics simulations are also performed to determine important thermodynamic properties of bulk and confined methane hydrate: (a) thermal conductivity λ using the Green-Kubo formalism and the autocorrelation function of the heat-flux and (b) the thermal expansion αP and isothermal compressibility κT. Finally, some conclusions and perspectives for future work are given., L'hydrate de méthane est un cristal non-stœchiométrique dans lequel les molécules d'eau forment des cages liées par liaison hydrogène qui piégent des molécules de méthane. Des ressources abondantes en hydrate de méthane peuvent être trouvées sur Terre, en particulier dans les roches poreuses minérales (par exemple, l'argile, le permafrost, les fonds marins, etc.). Pour cette raison, la compréhension de la thermodynamique et de la cinétique de formation de l'hydrate de méthane confiné dans des milieux poreux suscite beaucoup d'attention. Dans cette thèse, nous combinons la modélisation moléculaire et des approches théoriques pour déterminer la thermodynamique et la cinétique de formation de l'hydrate de méthane confiné dans des milieux poreux. Tout d'abord, l'état de l'art en matière de thermodynamique et de cinétique de formation de l'hydrate de méthane est présenté. Deuxièmement, différentes stratégies de simulation moléculaire, y compris des calculs d'énergie libre utilisant l'approche de la molécule d'Einstein, la méthode de coexistence directe et la technique textit{hyperparallel tempering}, sont utilisées pour évaluer la stabilité de l'hydrate de méthane à différentes températures et pressions. Troisièmement, parmi ces stratégies, la méthode de coexistence directe est choisie pour déterminer le déplacement du point de fusion lors du confinement dans des pores, ∆Tm=Tm^{pore}-Tm^{bulk} où Tm^{pore} et Tm^{bulk} sont les températures de fusion d'hydrate de méthane non confiné et confiné. Nous avons constaté que le confinement diminue la température de fusion, Tm^{pore}≺Tm^{bulk}. Le changement de température de fusion en utilisant la méthode de la coexistence directe est cohérent avec l'équation de Gibbs-Thompson qui prédit que le décalage de la température de fusion dépend linéairement de l'inverse de la taille des pores, ∆Tm/Tm^{bulk}∼k{GT}/Dp. La validité quantitative de cette équation thermodynamique classique pour décrire de tels effets de confinement et de surface est également abordée. Les tensions de surface des interfaces hydrate-substrat et eau-substrat sont déterminées à l'aide de la dynamique moléculaire pour valider quantitativement l'équation de Gibbs-Thompson. Des simulations de dynamique moléculaire sont également effectuées pour déterminer les propriétés thermodynamiques importantes de l'hydrate de méthane non confiné et confiné: (a) conductivité thermique λ en utilisant le formalisme de Green-Kubo et la fonction d'autocorrélation du flux thermique; (b) expansion thermique αP et compressibilité isotherme κT. Enfin, des conclusions et perspectives pour des travaux futurs sont présentées.

The tailoring of devices involving biomolecules, for applications such as the detection (biosensors) or protection against pathogens (antimicrobial coats), still introduce several interrogations at an atomic point of view. In this context, we used molecular modelling tools in order to realize multi-scale studies (quantic level and molecular mechanics level) about experimental systems and solve issues. We interested in two projects. In the first one, we firstly focused on biosensor involving filed effect transistor (EGOFET type), by studying the optimization of the semi-conductor channel. Then we interested in the specific biological interaction of the biosensor. In the second one, we interested in an antimicrobial coat. This device is composed by a peptide containing three parts: an anchoring one, a cleavable one which can be cut specifically by a surface protease of the target and so, release the last peptide in the area which involves antimicrobial properties. The system is very efficient in solution but when it’s grafted on a surface, antimicrobial properties disappear. Consequently, we used molecular modelling tools in order to prospect those antimicrobial properties loss., La confection de dispositifs impliquant des biomolécules, notamment dans le cadre de la détection (biocapteurs) ou de la protection contre des pathogènes (revêtements antimicrobiens), compte toujours un grand nombre d’interrogations notamment à l’échelle atomique. Dans ce contexte, nous avons utilisé les outils de la modélisation moléculaire afin de réaliser des études multi-échelles (à la fois en quantique et en mécanique moléculaire) pour étudier des systèmes (expérimentaux) impliquant des biomolécules et solutionner des problématiques. L’étude a été menée au sein de deux projets. Dans le cadre du premier d’entre eux, nous nous sommes tout d’abord intéressé à l’optimisation d’un biocapteur impliquant un transistor à effet de champ de type EGOFET, en nous concentrant plus particulièrement sur le canal semi-conducteur du transistor. Dans un second temps, nous avons réalisé une étude autour de l’interaction biologique et spécifique du biocapteur. Dans le cadre du second projet, nous nous sommes intéressés à un revêtement antimicrobien. Celui-ci s’appuie sur le greffage d’un peptide comportant une séquence d’accroche, une séquence antimicrobienne ainsi qu’un site clivable par une enzyme spécifique au pathogène que l’on souhaite traiter. En présence de ce dernier uniquement, le peptide antimicrobien est ainsi libéré dans le milieu. Bien que ce système fonctionne parfaitement en solution, ses propriétés bactéricides sont perdues lorsqu’il est greffé sur une surface, une étape indispensable pour une utilisation dans le domaine biomédicale. Nous avons ainsi étudié ce système grâce à la modélisation moléculaire afin de comprendre la perte de ces propriétés.

This manuscript presents the development of novel DNMT1 (DNA Methyltransferase) inhibi- tors. This enzyme is involved in epigenetic modification of DNA and its deregulation may lead to epigenetic cancers. The first part of this work focused on the design by molecular modeling of new prolino-homo-tryptophan compounds which can interact with both pockets of DNMT1. In a second time, molecular modeling allows us to design several pyrazole compounds as po- tential new DNMT1 inhibitors. Following these studies, all designed compounds were synthe- tized and tested on a recombinant human DNMT1enzyme thanks to a biochemical inhibition test. Biological evaluation bright to light two lead compounds which totally inhibit DNMT1 at high concentration (500 μM).; Ce manuscrit présente le développement de nouveaux inhibiteurs de la DNMT1 (DNA Methyl- transferase), enzyme impliquée dans les modifications épigénétiques de l’ADN et dont la dérégulation participe à l’évolution des cancers épigénétiques. La première partie de ces travaux a porté sur le design par modélisation moléculaire de nouveaux composés prolino-homo-tryptophanes capables d’interagir avec les deux sites de liaisons de la DNMT1. Dans une seconde partie, la modélisation moléculaire nous a permis de dessiner plusieurs composés pyrazoles comme nouveaux inhibiteurs potentiels de la DNMT1. A la suite de ces études, l’ensemble des composés dessinés ont été synthétisés puis évalués sur une DNMT1 humaine recombinante grâce à un test d’inhibition biochimique. L’évaluation biochimique a permis de mettre en évidence deux composés lead capables d’inhiber totalement la DNMT1 à forte concentration (500 μM).

Environmental water pollution by organic compound has become a major worldwide concern. Aromatic molecules like benzene rings and their derivatives have gained considerable attention due to officially documented toxicity and carcinogenicity. Mostly used in supramolecular chemistry, Cyclodextrins are truncated cone-shaped molecular structures having a hydrophilic outer surface and a hydrophobic cavity. Thus, they can theoretically encapsulate a large number of hydrophobic organic molecules to form water-soluble inclusion complexes. This complexation property has potential application in the field of detection and quantification of aromatic polycyclic pollutants in environmental water by portable spectroscopic means. We are interested in understanding this phenomenon of inclusion by combining theoretical and experimental approaches applied to solid state and in solution. It has been observed that only a few crystalline structures of cyclodextrin- pure aromatic molecule complexes appear in the structural databases after a brief review. Therefore, the main objective of our research is to focus more precisely on the interactions between the aliphatic alcohols and cyclodextrin molecules. For this purpose, to correlate our experimental and theoretical studies, the results obtained were monitored by various spectroscopic techniques in a systematic manner to observe the interaction between the molecules. Moreover, the powders and crystals obtained by varying the solubility of the mixtures were further subjected to physico-chemical analysis, X-ray diffraction, and DSC monitoring to support our findings. This work also includes modeling of inclusion complexes using different approaches like combining semi-empirical methods of quantum chemistry (DFT / TD-DFT) and polarizable molecular mechanics. Calculations were carried out on homemade clusters, which will allow the implementation of evidence of structural and energetic factors for complexation.; La pollution de l’environnement par les composés organiques est devenue une préoccupation mondiale majeure. Les molécules aromatiques comme les cycles benzéniques et leurs dérivés ont attiré une attention considérable en raison de la toxicité reconnue et de la cancérogénicité. Principalement utilisées en chimie supramoléculaire,les cyclodextrines sont des structures moléculaires en forme de cône tronqué ayant une surface externe hydrophile et une cavité hydrophobe. Ainsi, ils peuvent théoriquement encapsuler un grand nombre de molécules organiques hydrophobes pour former des complexes d'inclusion solubles dans l'eau. Cette propriété de complexation a une application potentielle dans le domaine de la détection et de la quantification des polluants polycycliques aromatiques dans les eaux environnementales par des moyens spectroscopiques portables. Nous souhaitons comprendre ce phénomène d’inclusion en combinant des approches théoriques et expérimentales appliquées à l’état solide et en solution. Il a été observé que seules quelques structures cristallines de complexes de cyclodextrines, molécules aromatiques pures, apparaissent dans les bases de données structurelles après un court examen. L'objectif principal de nos recherches est donc de nous concentrer plus précisément sur les interactions entre les alcools aliphatiques et les molécules de cyclodextrine. Pour cela,afin de corréler nos études expérimentales et théoriques, les résultats obtenus ont été suivis de manière systématique par différentes techniques spectroscopiques afin d'observer l'interaction entre les molécules. De plus, les poudres et les cristaux obtenus en faisant varier la solubilité des mélanges ont été soumis à une analyse physico-chimique, à une diffraction des rayons X et à une surveillance DSC pour étayer nos résultats. Ce travail comprend également la modélisation de complexes d'inclusion en utilisant différentes approches, comme la combinaison de méthodes semi-empiriques de la chimie quantique (DFT / TD-DFT) et de la mécanique moléculaire polarisable. Des calculs ont été effectués sur des clusters internes, ce qui permettra de mettre en évidence des facteurs structurels et énergétiques de complexation.

Environmental water pollution by organic compound has become a major worldwide concern. Aromatic molecules like benzene rings and their derivatives have gained considerable attention due to officially documented toxicity and carcinogenicity. Mostly used in supramolecular chemistry, Cyclodextrins are truncated cone-shaped molecular structures having a hydrophilic outer surface and a hydrophobic cavity. Thus, they can theoretically encapsulate a large number of hydrophobic organic molecules to form water-soluble inclusion complexes. This complexation property has potential application in the field of detection and quantification of aromatic polycyclic pollutants in environmental water by portable spectroscopic means. We are interested in understanding this phenomenon of inclusion by combining theoretical and experimental approaches applied to solid state and in solution. It has been observed that only a few crystalline structures of cyclodextrin- pure aromatic molecule complexes appear in the structural databases after a brief review. Therefore, the main objective of our research is to focus more precisely on the interactions between the aliphatic alcohols and cyclodextrin molecules. For this purpose, to correlate our experimental and theoretical studies, the results obtained were monitored by various spectroscopic techniques in a systematic manner to observe the interaction between the molecules. Moreover, the powders and crystals obtained by varying the solubility of the mixtures were further subjected to physico-chemical analysis, X-ray diffraction, and DSC monitoring to support our findings. This work also includes modeling of inclusion complexes using different approaches like combining semi-empirical methods of quantum chemistry (DFT / TD-DFT) and polarizable molecular mechanics. Calculations were carried out on homemade clusters, which will allow the implementation of evidence of structural and energetic factors for complexation.; La pollution de l’environnement par les composés organiques est devenue une préoccupation mondiale majeure. Les molécules aromatiques comme les cycles benzéniques et leurs dérivés ont attiré une attention considérable en raison de la toxicité reconnue et de la cancérogénicité. Principalement utilisées en chimie supramoléculaire,les cyclodextrines sont des structures moléculaires en forme de cône tronqué ayant une surface externe hydrophile et une cavité hydrophobe. Ainsi, ils peuvent théoriquement encapsuler un grand nombre de molécules organiques hydrophobes pour former des complexes d'inclusion solubles dans l'eau. Cette propriété de complexation a une application potentielle dans le domaine de la détection et de la quantification des polluants polycycliques aromatiques dans les eaux environnementales par des moyens spectroscopiques portables. Nous souhaitons comprendre ce phénomène d’inclusion en combinant des approches théoriques et expérimentales appliquées à l’état solide et en solution. Il a été observé que seules quelques structures cristallines de complexes de cyclodextrines, molécules aromatiques pures, apparaissent dans les bases de données structurelles après un court examen. L'objectif principal de nos recherches est donc de nous concentrer plus précisément sur les interactions entre les alcools aliphatiques et les molécules de cyclodextrine. Pour cela,afin de corréler nos études expérimentales et théoriques, les résultats obtenus ont été suivis de manière systématique par différentes techniques spectroscopiques afin d'observer l'interaction entre les molécules. De plus, les poudres et les cristaux obtenus en faisant varier la solubilité des mélanges ont été soumis à une analyse physico-chimique, à une diffraction des rayons X et à une surveillance DSC pour étayer nos résultats. Ce travail comprend également la modélisation de complexes d'inclusion en utilisant différentes approches, comme la combinaison de méthodes semi-empiriques de la chimie quantique (DFT / TD-DFT) et de la mécanique moléculaire polarisable. Des calculs ont été effectués sur des clusters internes, ce qui permettra de mettre en évidence des facteurs structurels et énergétiques de complexation.

The most commonly prescribed drugs in human medicine are antibiotics. Since their discovery, they have drastically impacted the way we treat infections. However, a bacterium eventually becomes resistant to antimicrobial treatment through the natural process of adaptative evolution. Even if resistant bacteria are omnipresent in the biosphere, their emergence rate is accelerated by the misuse of antimicrobial agents leading to the public health threat we are facing now. As currently available antimicrobial agents lose their effectiveness and very few new drugs are being developed, a breakthrough in new strategies to fight pathogens should be a priority. Ideal new therapeutic targets should exert weak evolutionary pressure, disarm or weaken the pathogen and be unique to microorganisms. One way to do so is by interfering with the iron regulation and its homeostasis within Bacteria. The bioavailability of iron strongly influenced early life and the metabolic strategies that sustained it. A central iron sensing mechanism evolved to ensure the regulation of such an important element. Sadly for bacteria this sensor became an exploitable weakness in our battle against infection. The “Ferric Uptake Regulator” is a metal dependent transcription regulator with a large regulatory network controlling iron homeostasis and bacterial virulence. This work continues previous investigations on Fur inhibitors using a combined experimental and theoretical approach by performing XAS, SAXS and MALLS experiments together with computer simulations. We describe for the first time the structures of Fur from E. coli in addition to a tetrameric Fur structure of a mutant from P. aeruginosa. Moreover, free energy profiles of Fur proteins, as tetramers or dimers bound to DNA, from different species were generated and key residues involved in the interactions determined, providing mechanistic insights into Fur complexes. The structural information gathered from this work will be used to better understand inhibition mechanisms of Fur proteins providing new opportunities to overcome drug development challenges., Les antibiotiques sont les médicaments les plus utilisés dans la médecine moderne. Depuis leurs découvertes, ils ont drastiquement changé la façon dont les infections sont traitées. Toutefois, à travers le processus d’adaptation, les bactéries deviennent éventuellement résistantes aux antibiotiques. Malgré leur omniprésence dans la biosphère, l’émergence de souches résistantes est favorisée par le mauvais usage des antibiotiques, ce qui crée une menace importante pour la santé publique. Les antibiotiques actuelles perdent graduellement leur efficacité, et vue le faible nombre de nouvelles molécules développées, la priorité est donnée pour la découverte de nouvelles stratégies capables de combattre les pathogènes. Les nouvelles cibles thérapeutiques idéales doivent exercer une faible pression évolutive, diminuer la virulence et être unique aux microorganismes. Une façon d’atteindre cet objectif est d’interférer dans la régulation et l’homéostasie du Fer chez les bactéries. La biodisponibilité du Fer a fortement influencé l’émergence de la vie sur terre et les stratégies évolutives qu’elle a adoptée. Ce qui a mené à l’apparition d’un mécanisme central de détection du Fer assurant la régulation de cet élément de haute importance. Ce senseur est un point faible que nous pourrons exploiter dans notre combat contre les infections bactériennes. La protéine Fur, pour « Ferric Uptake Regulator », est un régulateur de transcription métal dépendant qui est impliqué dans vaste réseau de régulation contrôlant principalement l’homéostasie du Fer et l’expression de facteurs de virulence. Le travail présenté dans ce manuscrit complète les études précédentes sur des inhibiteurs de la protéine Fur en utilisant une approche combinée théorique et expérimentale grâce a des expériences de XAS, SAXS et MALLS associé a de la modélisation moléculaire. Nous décrivons pour la première fois la structure de Fur d’E. coli ainsi que la structure d’un tétramère de Fur d’un mutant de P. aeruginosa. Par ailleurs, les profils d’énergie libre des protéines Fur de différentes espèces ont été déterminé, pour des complexes tetramériques ou dans le cas de dimères liés à l’ADN, permettant une compréhension préliminaire de leur mécanistique. Les informations structurales obtenues grâce aux travaux présentés dans ce manuscrit permettront de mieux comprendre les mécanismes d’inhibition des protéines Fur ainsi que fournir de nouvelles opportunités pour le développement de molécules a visée thérapeutique.

The most commonly prescribed drugs in human medicine are antibiotics. Since their discovery, they have drastically impacted the way we treat infections. However, a bacterium eventually becomes resistant to antimicrobial treatment through the natural process of adaptative evolution. Even if resistant bacteria are omnipresent in the biosphere, their emergence rate is accelerated by the misuse of antimicrobial agents leading to the public health threat we are facing now. As currently available antimicrobial agents lose their effectiveness and very few new drugs are being developed, a breakthrough in new strategies to fight pathogens should be a priority. Ideal new therapeutic targets should exert weak evolutionary pressure, disarm or weaken the pathogen and be unique to microorganisms. One way to do so is by interfering with the iron regulation and its homeostasis within Bacteria. The bioavailability of iron strongly influenced early life and the metabolic strategies that sustained it. A central iron sensing mechanism evolved to ensure the regulation of such an important element. Sadly for bacteria this sensor became an exploitable weakness in our battle against infection. The “Ferric Uptake Regulator” is a metal dependent transcription regulator with a large regulatory network controlling iron homeostasis and bacterial virulence. This work continues previous investigations on Fur inhibitors using a combined experimental and theoretical approach by performing XAS, SAXS and MALLS experiments together with computer simulations. We describe for the first time the structures of Fur from E. coli in addition to a tetrameric Fur structure of a mutant from P. aeruginosa. Moreover, free energy profiles of Fur proteins, as tetramers or dimers bound to DNA, from different species were generated and key residues involved in the interactions determined, providing mechanistic insights into Fur complexes. The structural information gathered from this work will be used to better understand inhibition mechanisms of Fur proteins providing new opportunities to overcome drug development challenges.; Les antibiotiques sont les médicaments les plus utilisés dans la médecine moderne. Depuis leurs découvertes, ils ont drastiquement changé la façon dont les infections sont traitées. Toutefois, à travers le processus d’adaptation, les bactéries deviennent éventuellement résistantes aux antibiotiques. Malgré leur omniprésence dans la biosphère, l’émergence de souches résistantes est favorisée par le mauvais usage des antibiotiques, ce qui crée une menace importante pour la santé publique. Les antibiotiques actuelles perdent graduellement leur efficacité, et vue le faible nombre de nouvelles molécules développées, la priorité est donnée pour la découverte de nouvelles stratégies capables de combattre les pathogènes. Les nouvelles cibles thérapeutiques idéales doivent exercer une faible pression évolutive, diminuer la virulence et être unique aux microorganismes. Une façon d’atteindre cet objectif est d’interférer dans la régulation et l’homéostasie du Fer chez les bactéries. La biodisponibilité du Fer a fortement influencé l’émergence de la vie sur terre et les stratégies évolutives qu’elle a adoptée. Ce qui a mené à l’apparition d’un mécanisme central de détection du Fer assurant la régulation de cet élément de haute importance. Ce senseur est un point faible que nous pourrons exploiter dans notre combat contre les infections bactériennes. La protéine Fur, pour « Ferric Uptake Regulator », est un régulateur de transcription métal dépendant qui est impliqué dans vaste réseau de régulation contrôlant principalement l’homéostasie du Fer et l’expression de facteurs de virulence. Le travail présenté dans ce manuscrit complète les études précédentes sur des inhibiteurs de la protéine Fur en utilisant une approche combinée théorique et expérimentale grâce a des expériences de XAS, SAXS et MALLS associé a de la modélisation moléculaire. Nous décrivons pour la première fois la structure de Fur d’E. coli ainsi que la structure d’un tétramère de Fur d’un mutant de P. aeruginosa. Par ailleurs, les profils d’énergie libre des protéines Fur de différentes espèces ont été déterminé, pour des complexes tetramériques ou dans le cas de dimères liés à l’ADN, permettant une compréhension préliminaire de leur mécanistique. Les informations structurales obtenues grâce aux travaux présentés dans ce manuscrit permettront de mieux comprendre les mécanismes d’inhibition des protéines Fur ainsi que fournir de nouvelles opportunités pour le développement de molécules a visée thérapeutique.

Humans have ~400 genes encoding odorant receptors (ORs) that get differentially activated by a virtually infinite space of small organic molecules. The combinatorial code resulting from this activation could allow the human nose to discriminate more than one trillion different olfactory stimuli. But how is the percept encoded in the structure of a molecule? To understand how our nose decrypts the structure of molecules, numerical models were used to study the main protagonists of olfaction: ORs and odorants. These approaches included machine-learning methods to explore and exploit existing data on ORs, and molecular modeling to understand the mechanisms behind molecular recognition. In this thesis I first review the structure-odor relationships from a chemist's point of view. Then, I explain how I developed a machine learning protocol which was validated by predicting new ligands for four ORs. In addition, molecular modeling was used to understand how molecular recognition takes place in ORs. In particular, a conserved vestibular binding site in a class of human ORs was discovered, and the role of the orthosteric binding cavity was studied. The application of these techniques allows upgrading computer aided deorphanization of ORs. My thesis also establishes the basis for testing computationally the combinatorial code of smell perception. Finally, it lays the groundwork for predicting the physiological response triggered upon odorant stimulation. Altogether, this work anchors the structure-odor relationship in the post-genomic era, and highlights the possibility to combine different computational approaches to study smell.; L’homme possède ~400 gènes codant pour des récepteurs aux odorants (ROs) qui sont différentiellement activés par un espace virtuellement infini de molécules. Le code combinatoire qui résulte de cette activation permettrait au nez humain de discriminer plus de mille milliards de stimuli olfactifs différents. Mais comment le percept est-il encodé dans la structure d’une molécule ? Pour comprendre comment notre nez décrypte la structure des molécules odorantes, des modèles numériques ont été utilisés pour étudier les principaux protagonistes de l’olfaction : les ROs et les odorants. Ici, l’apprentissage automatique est utilisé pour explorer et exploiter les données déjà existantes sur les ROs. D’autre part, la modélisation moléculaire est employée pour comprendre les mécanismes qui sous-tendent la reconnaissance moléculaire. Dans cette thèse j’ai passé en revue les relations structure-odeur du point de vue d’un chimiste. J’ai ensuite développé un protocole d’apprentissage automatique, qui a été validé pour prédire de nouveaux ligands pour quatre ROs. La modélisation moléculaire a été utilisée pour comprendre la reconnaissance moléculaire des ROs. Notamment, l’existence d’un site vestibulaire conservé dans une classe de ROs a été mis en évidence et le rôle de la cavité de liaison orthostérique dans les ROs a été étudiée. L’application de ces techniques permet de moderniser la déorphanisation guidée par ordinateur. Dans sa globalité, mes travaux ont aussi permis de préparer le terrain pour tester de façon virtuelle le code combinatoire des odeurs, et pour prédire la réponse physiologique déclenchée par ces molécules. Dans son ensemble, ce travail ancre la relation structure-odeur dans l’ère post-génomique, et souligne la possibilité de combiner différentes approches computationnelles pour étudier l’olfaction.

Humans have ~400 genes encoding odorant receptors (ORs) that get differentially activated by a virtually infinite space of small organic molecules. The combinatorial code resulting from this activation could allow the human nose to discriminate more than one trillion different olfactory stimuli. But how is the percept encoded in the structure of a molecule? To understand how our nose decrypts the structure of molecules, numerical models were used to study the main protagonists of olfaction: ORs and odorants. These approaches included machine-learning methods to explore and exploit existing data on ORs, and molecular modeling to understand the mechanisms behind molecular recognition. In this thesis I first review the structure-odor relationships from a chemist's point of view. Then, I explain how I developed a machine learning protocol which was validated by predicting new ligands for four ORs. In addition, molecular modeling was used to understand how molecular recognition takes place in ORs. In particular, a conserved vestibular binding site in a class of human ORs was discovered, and the role of the orthosteric binding cavity was studied. The application of these techniques allows upgrading computer aided deorphanization of ORs. My thesis also establishes the basis for testing computationally the combinatorial code of smell perception. Finally, it lays the groundwork for predicting the physiological response triggered upon odorant stimulation. Altogether, this work anchors the structure-odor relationship in the post-genomic era, and highlights the possibility to combine different computational approaches to study smell.; L’homme possède ~400 gènes codant pour des récepteurs aux odorants (ROs) qui sont différentiellement activés par un espace virtuellement infini de molécules. Le code combinatoire qui résulte de cette activation permettrait au nez humain de discriminer plus de mille milliards de stimuli olfactifs différents. Mais comment le percept est-il encodé dans la structure d’une molécule ? Pour comprendre comment notre nez décrypte la structure des molécules odorantes, des modèles numériques ont été utilisés pour étudier les principaux protagonistes de l’olfaction : les ROs et les odorants. Ici, l’apprentissage automatique est utilisé pour explorer et exploiter les données déjà existantes sur les ROs. D’autre part, la modélisation moléculaire est employée pour comprendre les mécanismes qui sous-tendent la reconnaissance moléculaire. Dans cette thèse j’ai passé en revue les relations structure-odeur du point de vue d’un chimiste. J’ai ensuite développé un protocole d’apprentissage automatique, qui a été validé pour prédire de nouveaux ligands pour quatre ROs. La modélisation moléculaire a été utilisée pour comprendre la reconnaissance moléculaire des ROs. Notamment, l’existence d’un site vestibulaire conservé dans une classe de ROs a été mis en évidence et le rôle de la cavité de liaison orthostérique dans les ROs a été étudiée. L’application de ces techniques permet de moderniser la déorphanisation guidée par ordinateur. Dans sa globalité, mes travaux ont aussi permis de préparer le terrain pour tester de façon virtuelle le code combinatoire des odeurs, et pour prédire la réponse physiologique déclenchée par ces molécules. Dans son ensemble, ce travail ancre la relation structure-odeur dans l’ère post-génomique, et souligne la possibilité de combiner différentes approches computationnelles pour étudier l’olfaction.

Les objectifs environnementaux (COP21) visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre et l'impact de l'industrie sur la nature, font face au défi de la demande croissante d'énergie et de produits. Les procédés chimiques sont les premiers en cause lorsqu’ils mettent en œuvre des solvants. L'ingénierie des solvants est une solution innovante qui vise à trouver des milieux alternatifs bénins possédant les propriétés de solvant adaptés pour chaque étape du procédé.Dans cette perspective, nous avons étudié les Liquides expansés par un gaz (LEGs), qui sont desliquides dont le volume augmente sous l’effet d’un gaz dissous sous pression. En particulier, le CO2 peut être utilisé comme agent d'expansion pour obtenir des liquides expansés par du CO2(LECs), combinant les avantages du CO2 et du solvant. La phase expansée peut contenir des concentrations élevées de CO2, jusqu'à 80%, selon le solvant, ce qui conduit à une réduction du besoin du solvant organique, mais aussi à des changements des propriétés physicochimiques et de transport de la nouvelle phase expansée. On peut de plus moduler ces propriétés par la pression et la température, d'une manière réversible, et améliorer la séparation des produits. Dans cette étude, différents solvants biosourcés ont été utilisés pour obtenir des systèmes expansés par du CO2, tels que les acétates d'alkyle, les carbonates organiques, les méthoxybenzènes, etc.La connaissance des équilibres de phase, des propriétés de solvatation et de transport est essentielle pour concevoir des processus qui exploitent le comportement particulier de ces systèmes biphasiques. Deux approches principales ont été utilisées pour caractériser ces systèmes. Dans un premier temps, des mesures ont été effectuées dans une cellule à haute pression et à volume variable pour évaluer la polarité au travers du paramètre Kamlet-Taft (KT) *(dipolarité / polarisabilité) dans les solvants expansés par du CO2 sous des pressions allant jusqu'à 30 MPa. La technique utilisée a été la spectroscopie UV-Vis suivant le déplacement hypsochromique du Rouge de Nile, une sonde solvatochromique déjà utilisée pour obtenir les paramètres KT dans des solvants purs. De plus, des mesures d'équilibre vapeur-liquide (ELV) ont été effectuées pour obtenir la composition de la phase expansée à différentes pressions et températures afin de comprendre la solvatation du CO2 dans les solvants organiques et de fournir des informations manquantes dans la littérature. En deuxième lieu, dans une approche plus théorique, les données ELV ont été utilisées pour calculer numériquement d'autres propriétés telles que la densité et la viscosité. Des équations d'état et des simulations par dynamique moléculaire (DM) ont été utilisées ; ces dernières donnant de meilleurs résultats dans un mode prédictif de la masse volumique et permettant de suivre les positions moléculaires au cours du temps, qui peut être liée à de nombreuses propriétés, y compris la viscosité étudiée ici. Ces calculs ont été effectués en utilisant un champ de force de type Amber adapté. Les résultats obtenus dans l’ensemble complètent les données de la littérature existante et apportent de nouvelles informations sur les propriétés des LEGs. Par exemple, le comportement non linéaire de l'expansion volumétrique, vérifié après les déterminations de masse volumique sur les simulations DM à l'équilibre, est une clé dans la compréhension des interactions soluté-solvant ; ainsi que les valeurs KT * obtenues qui confirment la large gamme de polarité couverte par ces systèmes.Enfin, certains systèmes expansés par du CO2 ont été utilisés pour produire des nanoparticules de TiO2 pour panneaux solaires, améliorant leur surface spécifique et donc leur efficacité en tant que semi-conducteurs ; et d’autres ont été appliqués à un processus d'activation enzymatique entraînant une augmentation significative du taux de conversion

Dystrophin is a filamentous protein involved in muscular cells structure which links the cytoskeleton to the sarcolemma. Together with cytoskeletal actin and membrane lipids, dystrophin is a part of a macromolecular complex, located under the sarcolemma, which prevents damages induced during repeated muscle contractions and relaxations. Such damages, including sarcolemma disruption, are found in people with Duchenne muscular dystrophy (DMD) and Becker muscular dystrophy (BMD), diseases caused by mutations altering dystrophin expression or function. There is currently no treatment to cure these myopathies, and a deep understanding of the structure-function of the dystrophin and its interactions with its partners is necessary to the development of gene therapy strategies. Structuraly, this protein is composed of four functionnal domains, including a long filamentous central domain, composed of 24 successive coiled-coil repeats. It was recently showed that the central domain is not rod shaped and some inter-repeats regions (linker) are kinked, delimiting specific interaction sub-domains. This thesis aims to bring knowledge about the basis of the conformationnal diversity of linkers in a structuraly homogenous domain in human dystrophin. We explore how dystrophin delimits some regions that interact with f-actin and/or membrane lipids., La dystrophine est une protéine filamenteuse qui contribue à la structuration des cellules musculaires en créant un lien entre le cytosquelette et le sarcolemme. Avec l’actine du cytosquelette et les lipides membranaires, la dystrophine représente l’un des éléments d’un complexe macromoléculaire, localisé sous la membrane plasmique, dont le rôle est la prévention des dommages qui pourraient être induits à force de contractions-relâchements répétés. De tels dommages, notamment des ruptures du sarcolemme, sont observés chez des personnes atteintes de myopathies de Duchenne (DMD) et de Becker (BMD), des maladies causées par des mutations qui altèrent l’expression ou la fonction de la dystrophine. Ces myopathies sont actuellement incurables et une connaissance approfondie de la relation structure-fonction de la dystrophine et de ses interactions avec ses partenaires s’avère absolument nécessaire à la mise au point de nouvelles stratégies de thérapies géniques. Cette protéine se compose de quatre domaines fonctionnels, dont un domaine central filamentaire, constitué de 24 répétitions successives d’un même motif structural, un faisceau de trois hélices alpha ou « coiled-coil ». Or, il a été récemment montré que la structure de ce domaine central n’est pas strictement linéaire et que certaines régions inter-répétitions (linker) forment des coudes, délimitant ainsi des sous-domaines d’interaction spécifiques. Cette thèse a pour objectif de comprendre l’origine de cette diversité de conformations inter-répétition dans un domaine structuralement homogène, et d’explorer comment elle permet à certaines régions de se différencier afin d’interagir avec l’actine et/ou les lipides membranaires.

This manuscript presents the development of novel DNMT1 (DNA Methyltransferase) inhibi- tors. This enzyme is involved in epigenetic modification of DNA and its deregulation may lead to epigenetic cancers. The first part of this work focused on the design by molecular modeling of new prolino-homo-tryptophan compounds which can interact with both pockets of DNMT1. In a second time, molecular modeling allows us to design several pyrazole compounds as po- tential new DNMT1 inhibitors. Following these studies, all designed compounds were synthe- tized and tested on a recombinant human DNMT1enzyme thanks to a biochemical inhibition test. Biological evaluation bright to light two lead compounds which totally inhibit DNMT1 at high concentration (500 μM)., Ce manuscrit présente le développement de nouveaux inhibiteurs de la DNMT1 (DNA Methyl- transferase), enzyme impliquée dans les modifications épigénétiques de l’ADN et dont la dérégulation participe à l’évolution des cancers épigénétiques. La première partie de ces travaux a porté sur le design par modélisation moléculaire de nouveaux composés prolino-homo-tryptophanes capables d’interagir avec les deux sites de liaisons de la DNMT1. Dans une seconde partie, la modélisation moléculaire nous a permis de dessiner plusieurs composés pyrazoles comme nouveaux inhibiteurs potentiels de la DNMT1. A la suite de ces études, l’ensemble des composés dessinés ont été synthétisés puis évalués sur une DNMT1 humaine recombinante grâce à un test d’inhibition biochimique. L’évaluation biochimique a permis de mettre en évidence deux composés lead capables d’inhiber totalement la DNMT1 à forte concentration (500 μM).

N-acylation of amino acids or peptides results in bioactive and/or functional molecules showing increased bioavailability, hydrophobicity and stability. Acylated amino acids have been broadly described as being a kind of surfactant with great surface chemistry properties, interesting biological activities, weak toxicity and low environmental impact. Acylation of amino acids or peptides is being performed chemically at industrial scale. It creates constraints in term of reaction selectivity, environmental safety and cost of polluted wastewater treatment. Enzymatic catalysis is an alternative to chemical acylation reaction. Several enzyme/solvent pairs have already been described in the literature. Their performance are however somewhat limited. The objective of this thesis work was thus to improve the capacity of acylation processes at different scales. At the molecular scale, a study was performed using Candida antarctica’s (CALB) lipase B. Molecular modeling was used to create a methodology coupling docking simulation and interaction calculus that would allow for a better understanding of CALB regioselectivity during lysine acylation by different fatty acids. Studies were also conducted at the reaction level, especially by searching for new aminoacylase-type of biocatalysts in Streptomyces ambofaciens raw extract. Regioselectivity and performance of these enzyme’s catalytic reactions were compared to those of CALB. Results brought into light a promising potential from S. ambofaciens’ aminoacylases in synthesizing acylated amino acids/peptides. Indeed, on top of their ability to catalyse acylation reaction in aqueous solution, these enzymes have a different regioselectivity compared to CALB’s. Regioselectivity targeting N-terminal groups is a rarely researched phenomenon allowing acylation to be performed without modifying amino acids or peptides lateral chains and hence their functionality. In the last part part of this work, studies at process scale were performed. Aminoacylase were first immobilized on mesoporous silicates and several immobilisation methods were compared. Using physisorption, a method for the immobilisation of S. ambofaciens’ aminoacylases was developed to reach a conserved specific activity during 3 cycles. Finally, intensification of acylation reaction was examined in microwave or microstructured reactors. First, an experimental set up was performed in an heated reactor using microwaves irradiation. This kind of reactor was demonstrated as being adapted to acylation reaction using a commercial immobilized form of CALB (Novozym435®) as catalyst in organic solvent. The microwave reactor was however not suited for free S. ambofaciens aminoacylase in aqueous solution. For that latter reaction, intensification had to be approached through other aspects of the process. Hydrodynamic appeared indeed as an important aspect for this reaction occurring in a biphasic medium composed of fatty acids and aqueous solution. A microstructured microfluidic reactor was hence tested. Conversion yield were increased with this system. This study demonstrated how mixing quality was an important factor for acylation reaction and could be a way to intensify the enzymatic process at larger scale, Approche multi-échelle pour l’étude de la réaction de N-acylation enzymatique d’acides aminés La réaction de N-acylation d’acides aminés ou de peptides permet l’obtention de dérivés de ces molécules présentant des propriétés bioactives et/ou techno-fonctionnelles, avec une biodisponibilité, une hydrophobie et une stabilité accrue. Les acides aminés acylés ont été largement décrits comme constituant une classe d'agents tensioactifs avec d'excellentes propriétés de surface, des activités biologiques intéressantes, un faible potentiel de toxicité et un faible impact environnemental. Actuellement réalisée de manière chimique à l’échelle industrielle, l’acylation de ces acides aminés ou peptides présente des contraintes en termes de sélectivité réactionnelle et d’innocuité vis-à-vis de l’environnement ainsi qu’en termes de coût de retraitement des effluents polluants. Une alternative à cette voie chimique est l’utilisation d’enzymes capables de catalyser ces réactions d’acylation. Dans la littérature, différents couples d’enzymes et de solvants ont déjà été décrits. Néanmoins, les performances réactionnelles de ces systèmes demeurent parfois limitées. L’objectif de cette thèse a donc été l’amélioration du procédé d’acylation par une approche à différentes échelles. À l’échelle moléculaire, une étude a été réalisée avec la lipase B de Candida antarctica (CALB). Une approche de modélisation moléculaire a été utilisée afin de mettre au point une méthodologie associant des simulations de docking et des calculs d’interaction permettant d’améliorer la compréhension et permettre la prédiction de la régiosélectivité de CALB lors de l’acylation de la lysine par différents acides gras. Des études ont également été conduites à l’échelle réactionnelle, notamment avec la recherche de nouveaux biocatalyseurs de type aminoacylases dans l’extrait brut de Streptomyces ambofaciens. La régiosélectivité et les performances de la réaction catalysée par ces enzymes ont été comparés à celles de CALB. Les résultats ont mis en évidence un potentiel très prometteur des aminoacylases de S. ambofaciens concernant la synthèse d’acide aminés/peptides acylés. En effet, en plus de leur aptitude à réaliser la réaction d’acylation en milieu aqueux, ces enzymes possèdent une régio-sélectivité qui diffère de celle de CALB. Cette régio-sélectivité orientée vers les groupements N-terminaux est un atout très peu décrit à ce jour, car elle permet d’acyler ces molécules sans modifier les chaînes latérales des acides aminés ou des peptides et donc leurs fonctionnalités. Dans la dernière partie de ces travaux, des études à l’échelle procédé ont été menées. Tout d’abord, l’immobilisation des aminoacylases sur des matériaux mésoporeux silicatés a été réalisée et différentes méthodes d’immobilisation ont pu être comparées. Cette étude a permis de proposer une méthode d’immobilisation des aminoacylases de S. ambofaciens par physisorption, permettant de conserver l’activité spécifique pendant au moins 3 cycles. Puis, dans une dernière partie, l’intensification de la réaction d’acylation en réacteur micro-ondes ou microstructurés a été abordée. Les expérimentations réalisées dans un réacteur chauffé par irradiation micro-onde ont montré que ce type de réacteur était adapté à la réaction d’acylation catalysé par CALB sous sa forme immobilisée commerciale (Novozym435®) en solvant organique, ce qui n’est pas le cas avec des aminoacylases de S. ambofaciens libres, en milieux aqueux. Pour cette réaction, d’autres méthodes d’intensification ont été envisagées, notamment en réacteur microstructuré de type microfluidique. L’efficacité du mélange étant primordiale notamment en milieu biphasique, celle-ci a pu être améliorée avec un taux de conversion supérieur dans ce réacteur comparativement à un réacteur classique agité mécaniquement

The general population is chronically exposed to pyrethroids and organophosphorus insecticides, mainly through alimentation. Several epidemiological studies have found an association between non-occupational exposure to these pesticides and chronic diseases and developmental disorders. Paradoxically, their biological fate in humans is poorly understood. Some studies suggest that these insecticides could interact with ABC and SLC membrane transporters. These membrane proteins, located at blood-tissue interfaces (liver, kidney, intestine ...), handle many endogenous substrates, drugs and pollutants. The objective of our study was to characterize, using an in vitro approach, the effects of pyrethroid and organophosphorus insecticides on the activity of numerous ABC and SLC human drug-transporters (P-gp, BCRP, MRPs, OATP-1B1, -2B1, -1B3, OCT1-3, OAT1, OAT3, MATE1 and MATE2K). We have also tried to analyze the mechanisms of interactions and the structural requirements for insecticides-mediated modulation of drug transporters activities using in vitro and in silico approach. We have shown that many organophosphorus and pyrethroids are able to inhibit ABC (MRP, BCRP, P-gp) and SLC (OATP1B1, OAT3, MATE1, OCT1-2) transporters and can stimulate the activity of some OATPs. Moreover, the tested pesticides inhibited very strongly the activity of OCT1 and OCT2 and blocked catecholamine transport mediated by these transporters. A qSAR approach allowed to define physicochemical parameters associated with the modulating effects of pesticides and a molecular docking approach revealed the P-gp binding sites involved in these interactions. The consequences of transporter activitie modulation, in terms of toxic effects and drug interactions, remain to be defined for populations exposed to high doses of pesticides, occurring notably in response to poisoning. However the alterations of these transporter activities by insecticides are unlikely to contribute to organophosphorus or pyrethroids toxicities of chronic low-dose exposure., Les pyréthrinoïdes et les organophosphorés sont des pesticides très utilisés, à l’origine d’une imprégnation forte de la population, exposée à ces contaminants principalement via l’alimentation. De plus en plus d’études scientifiques suggèrent des liens entre l’exposition à ces composés et des maladies chroniques ou des troubles du développement de l’enfant. Paradoxalement, leur devenir biologique chez l’homme est mal connu. Certaines études suggèrent que ces insecticides sont susceptibles d’intéragir avec les transporteurs membranaires ABC et SLC, protéines localisées au niveau d’interfaces hémato-tissulaires qui prennent en charge de nombreux substrats endogènes, médicaments et contaminants de l’environnement. L’objectif de notre étude a été de caractériser les effets d’insecticides des familles des pyréthrinoïdes et des organophosphorés sur l’activité de nombreux transporteurs ABC et SLC prenant en charge des médicaments (P-gp, BCRP, MRPs, OATP-1B1,-2B1,-1B3, OCT1-3, OAT1, OAT3, MATE1 et MATE2K) par une approche in vitro. Nous nous sommes également attachés à caractériser par des expérimentations in vitro et in silico, les mécanismes des interactions et les éléments structuraux des pesticides à l’origine de ces effets. Nous avons montré que de nombreux organophosphorés et pyréthrinoïdes étaient capables d’inhiber des transporteurs d’efflux (MRP, BCRP, P-gp) et d’influx (OATP1B1, OAT3, MATE1, OCT1-2) et de stimuler l’activité de certains OATPs. Les pesticides testés inhibaient très fortement l’activité des transporteurs de cations (OCT1 et OCT2) et ont pu bloquer le transport de catécholamines médiés par ces protéines. Une approche qSAR a permis de définir des paramètres physicochimiques associés aux effets modulateurs des pesticides et une approche d’amarrage moléculaire (docking) a mise en évidence les sites de liaisons de la P-gp impliquées dans ces interactions. Les conséquences des modulations de l’activité des transporteurs, en termes d’effets toxiques et d’interactions médicamenteuses, restent à définir pour les populations exposées à de fortes doses de pesticides. Toutefois, la contribution des interactions observées aux effets toxiques de ces insecticides est peu probable car nécessitant des concentrations nettement supérieures à celles atteintes dans le cadre d’une exposition environnementale de la population générale.