Dissertations / Theses on the topic 'Fonctionnalisation enzymatique'

La thèse vise l'application du concept de bioraffinerie (extraction, fractionnement, séparation de composés à partir de biomasse avant transformation ultérieure), via le développement d'étapes de production destinées à être associées en un procédé continu. La complexité du solide nécessite une étape de prétraitement effectuée avec une technologie à faible impact environnemental et l'eau subcritique est déjà utilisée comme solvant d'extraction des produits naturels, en sus de leur hydrolyse. Ces travaux ont porté sur l'hydrolyse de polysaccharides (son de riz) et de triacylglycérols (TAG, huile de tournesol) choisis comme modèles. Les caractéristiques de l'eau subcritique (produit ionique, constante diélectrique) mise en œuvre en réacteurs à circulation construits dans ce but, ont permis l'hydrolyse quasi-totale de l'hémicellulose et des TAG. L'addition de CO2 et donc d'acide carbonique a eu un effet positif sur l'hydrolyse de l'hémicellulose. Les acides gras libres résultant de l'hydrolyse ont été estérifiés en ester éthyliques en présence d'une lipase en réacteur continu en milieu CO2 supercritique, avec un taux de synthèse de 95%. Les cinétiques des réactions ci-dessus d'hydrolyse et d'estérification ont été étudiées. La complexité des interactions entre les nombreux paramètres mis en jeu a conduit à appliquer des méthodes de plans d'expérience. Ces méthodes ont été validées avec succès avec les données expérimentales, montrant ainsi leur utilité dans le développement de procédés. La question importante de la solubilité des extractibles dans l'eau subcritique a été traitée et une méthode de prédiction mise au point et validée avec succès avec les données expérimentales. En conclusion, ce travail montre la possibilité d'appliquer le concept novateur de la Bioraffinerie Intégrée en réacteur continu avec des fluides sub- ou supercritique, contrairement à leur mise en œuvre actuelle en réacteur fermé, pour la production de composés commercialisables
This work addresses the integrated biorefining concept (extraction, fractionation, separation of compounds from biomass prior to further transformation) by developing discrete units with the ultimate objective of coupling them to enable a continuous flow configuration. Due to the complexity of solid, there is a need for a sustainable and environmentally friendly pre-treatment technology. Sub-critical water has been used as a solvent for extracting natural compounds in addition to hydrolysis. This work investigated the hydrolysis of carbohydrates (rice bran) and triacylglycerols (TAG; sunflower oil) chosen as models. The attribute of subcritical water (ion product and dielectric constant) in continuous flow reactors built for the purpose, allowed almost quantitative hydrolysis of hemicellulose and TAG. The effect of adding CO2 and therefore carbonic acid was positive on the hydrolysis of hemicellulose. Further, free fatty acids were transformed to ethyl esters using lipase within continuous flow super critical CO2 resulting in 95% yield. The hydrolysis and esterification reaction kinetics were studied. To address the complex interplay between multiple processing parameters response surface methodologies (RSM) were developed. Using the empirical data the models were successfully validated, therefore showing the utility of the RSM to assist process development. The important question of solubility of extractible in subcritical water was also addressed, through the development of a prediction method, validated with experimental data. In summary this work shows the possibility of applying the innovative Integrated Biorefining concept under continuous flow conditions -instead of the current application under batch conditions- for producing valuable compounds

L’apparition de l’ordre à partir du désordre nous a toujours fasciné et notamment les auto-assemblages. En effet, ils permettent de former spontanément des particules en suspension (particules colloïdales) sans apport d’énergie. La plupart des études cherchant à induire un auto-assemblage se basent sur des techniques chimiques, faisant souvent appel à des solvants organiques ou des composés toxiques. L'originalité du Laboratoire d'Ingénierie des Biomolécules (LIBio) repose sur la formulation de vecteurs innovants dont les constituants sont issus d'agro-ressources renouvelables. Un des axes de recherches du laboratoire est ainsi focalisé sur la modification de polysaccharides naturels dans le but de leur apporter de nouvelles propriétés fonctionnelles. Ici, dans un souci de se diriger vers une chimie plus verte, l'approche originale de fonctionnalisation par voie enzymatique de polysaccharides développée au LIBio est mise en œuvre pour modifier la gomme d’Acacia dans le but de lui conférer des propriétés d'auto-assemblage. Cette modification repose sur l’utilisation d'une enzyme permettant l’oxydation de composés phénoliques. Les produits d’oxydation ont alors formé des liaisons esters avec la gomme d’Acacia pour modifier le fractions arabinogalactan peptide et arabinogalactane protéine. Les produits d’oxydation étant hydrophobes ont modifié le comportement de la gomme en la rendant moins hydrophile et moins hygroscopique. Ainsi en milieu aqueux, à des concentrations ou la gomme d’Acacia native est soluble, la gomme d’Acacia modifiée forme des particules sphériques monodispersées. Il est ensuite question de déterminer quelle méthode est la plus à même de permettre la définition de la concentration critique d’agrégation de ces assemblages. Une toute nouvelle technique a notamment été utilisée : la thermophorèse microéchelle. Dans la dernière partie de ce travail il est question d’étudier l’influence des paramètres physicochimiques sur l’assemblage. En effet, les assemblages se forment grâce aux liaisons faibles entre les sous unités de gomme d’Acacia modifiée. Ces interactions sont notamment fonction de paramètres tels que la force ionique, le pH ou la température
The appearance of order from disorder has always fascinated us, especially self-assemblies. Indeed, they allow the spontaneous formation of particles in suspension (colloidal particles) without any energy input. Most studies to induce self-assembly are based on chemical techniques, often using organic solvents or toxic compounds.The originality of the Biomolecular Engineering Laboratory (LIBio) lies in the formulation of innovative vectors whose constituents are derived from renewable agro-resources. One of the research axes of the laboratory is thus focused on the modification of natural polysaccharides in order to bring them new functional properties. Here, in order to move towards a greener chemistry, the original approach of functionalization by enzymatic way of polysaccharides developed at LIBio is implemented to modify the Acacia gum in order to confer self-assembly properties. This modification is based on the use of an enzyme allowing the oxidation of phenolic compounds. The oxidation products then formed ester bonds with Acacia gum to modify the arabinogalactan peptide and arabinogalactan protein fractions. The oxidation products being hydrophobic modified the behavior of the gum by making it less hydrophilic and less hygroscopic. Thus in aqueous medium, at concentrations where the native Acacia gum is soluble, the modified Acacia gum forms monodisperse spherical particles. It is then necessary to determine which method is the most suitable to define the critical aggregation concentration of these assemblies. In particular, a new technique has been used: micro-scale thermophoresis. In the last part of this work it is a question of studying the influence of physicochemical parameters on the assembly. Indeed, the assemblies are formed thanks to the weak links between the sub-units of modified Acacia gum. These interactions depend on parameters such as ionic strength, pH or temperature

Les flavonoi͏̈des sont des composés polyphénoliques caractéristiques des végétaux supérieurs. Ils sont largement présents dans notre alimentation et leurs propriétés intéressent les industries agroalimentaires, cosmétiques et pharmaceutiques. L'objectif de ce travail était de synthétiser des esters phénoliques de flavonoi͏̈des par voie enzymatique afin de modifier leurs caractéristiques physico-chimiques et augmenter éventuellement leurs propriétés biologiques. La lipase B de Candida antarctica a été utilisée sous forme immobilisée (Novozym 435®) pour étudier la faisabilité de la synthèse de différents esters aromatiques de flavonoi͏̈des avec des donneurs d'acyles non activés. Des esters d'acides aromatiques non substitués (acides benzoi͏̈que et cinnamique) ont été synthétisés avec de bons rendements. Les meilleurs résultats ont été obtenus par transestérification sous pression réduite. En présence de solvant (2-méthylbutan-2-01), on obtient jusqu'à 99% de conversion du flavonoi͏̈de en 25 h à 80ʿC, 200 mbar de pression. Dans les milieux où le rôle du solvant est joué par le donneur d'acyle lui-même, la conversion des flavonoi͏̈des glucosylés et néohespéridosylés est totale en moins de 12 h à 80ʿC, 200 mbar. Le principal handicap de ces synthèses est la faible solubilité des flavonoi͏̈des glycosylés dans les solvants organiques. Un certain nombre de produits ont été caractérisés (cinnamate, benzoate, salicylate de phloridzine, cinnamate d'isoquercitrine, cinnamate et salicylate de néohespéridine dihydrochalcone). Ce sont des monoesters régiosélectivement acylés sur la position 6" (hydroxyle primaire) du glucose. Cependant, le Novozym 435® n'a pas permis de synthétiser efficacement des esters phénoliques de flavonoi͏̈des lorsque le donneur d'acyle possède une fonction phénolique conjuguée au carboxyle (acide caféique). Une exception a toutefois été observée dans le cas des synthèses de salicylates de flavonoi͏̈des en milieu salicylate de méthyle, liquide à la température de travail.

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

Les protéines extraites des végétaux sont des matériaux relativement peu coûteux, non toxiques, biocompatibles et biodégradables. Elles représentent une bonne alternative aux protéines d’origine animale et aux polymères dérivés du pétrole. Dans le cadre de cette étude, les protéines extraites de graines de soja et de tournesol ont été utilisées en tant que matériaux enrobants pour la microencapsulation de la matière active hydrophobe (α-tocophérol) ou hydrophile (acide ascorbique) par le procédé d’atomisation. Les protéines de soja sont largement utilisées dans les applications alimentaires et non-alimentaires, notamment en microencapsulation. Elles sont donc étudiées dans ce travail comme matériau enrobant de référence. Les protéines de tournesol n’ont quant à elles pas d’application industrielle concrète, si ce n’est sous la forme de tourteaux dans l’alimentation animale. C’est pourquoi il nous semble pertinent de trouver des nouvelles voies de valorisation pour ce coproduit d’origine agricole. Plusieurs modifications des protéines, telles que l’hydrolyse enzymatique, l’acylation, la réticulation enzymatique et la cationisation ont été étudiées dans le but d’améliorer les propriétés encapsulantes du matériau enrobant. Dans le contexte de la chimie verte, toutes les modifications ont été effectuées sans utilisation de solvants organiques ni de catalyseurs chimiques. L’influence des modifications chimiques et enzymatiques des protéines, et des paramètres du procédé (pression d’homogénéisation, ratio matériau enrobant/matière active et concentration en protéines) sur les différentes caractéristiques des préparations liquides et des microparticules (viscosité, taille des gouttelettes dans le cas des émulsions, morphologie et taille des microparticules), ainsi que sur les paramètres liés au procédé d’atomisation (rendement et efficacité de microencapsulation) a été particulièrement étudiée au cours de ce travail. Les résultats obtenus confirment que l’extrait protéique de tournesol est tout à fait pertinent comme matériau enrobant et permet d’obtenir des efficacités de microencapsulation significativement plus élevées par rapport à celles obtenues avec l’extrait protéique de soja
Proteins extracted from vegetables are relatively low-cost, non-toxic, biocompatible and biodegradable raw materials. They represent a good alternative to animal-based proteins and petroleum-extracted polymers. In this study, proteins derived from soybean and sunflower seeds were used as wall materials for microencapsulation of hydrophobic (-tocopherol) or hydrophilic (ascorbic acid) active material by spray-drying technique. Soybean proteins are widely used in food and non-food applications, especially in microencapsulation. They were studied in this work as wall material of reference. Sunflower proteins are not actually used in industrial application, but only in the form of oil-cake for animal feeding. That’s why new ways of valorization of this agricultural by-product should be investigated. Several proteins’ modifications such as enzymatic hydrolysis, acylation, cross-linking and cationization were studied in order to improve encapsulating properties of wall material. In the context of green chemistry, all the modifications and preparations were performed without use of organic solvents and chemical catalysts. The effect of protein chemical and enzymatic modifications, and process parameters (homogenization pressure, wall/core ratio and protein concentration) on different characteristics of liquid preparations and microparticles (viscosity, emulsion droplet size, microparticle size and morphology) and on parameters related to the spray-drying process (yield and efficiency of microencapsulation) was particularly investigated in this study. The obtained results confirmed that sunflower proteins are quite suitable as encapsulating agent and provide the microencapsulation efficiencies significantly higher compared to those obtained with soy proteins

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

La biomasse lignocellulosique est au cœur du développement de la bioraffinerie de par l’intérêt de fractionner ses composants avec divers procédés pour la production de biocarburants, de molécules d’intérêt et de matériaux agro-sourcés. L’objectif de cette thèse visait à étudier la transformation des xylanes du son de blé en molécules tensio-actives (esters de pentoses). Cette transformation a été envisagée en deux étapes : une première étape d’hydrolyse du son de blé par des hémicellulases pour la production de xylose et d’arabinose, suivie d’une seconde étape d’acylation de ces glucides par une lipase pour accéder aux esters de pentoses. La thèse s’est principalement focalisée sur l’étude de la transestérification de D- xylose et de L-arabinose (purs ou issus d’un hydrolysat de son de blé) et du laurate de vinyle par la lipase immobilisée N435. L’influence de divers paramètres réactionnels a été étudiée. Des mono- et diesters lauriques de D-xylose et de L-arabinose, dont la structure a été caractérisée, sont produits par la lipase. Les propriétés physico-chimiques de ces esters lauriques de pentoses, originaux et nouvellement décrits, ont été évaluées et ont montré l’intérêt de ces molécules en tant que tensio-actifs. Une approche préliminaire a également été développée pour étudier la synthèse d’esters lauriques de xylo-oligosaccharides par la lipase N435. Nos résultats montrent que cette production a lieu mais qu’elle est moins efficace que dans le cas des monosaccharides. La transestérification catalysée par la lipase N435 reste dans ce cas à optimiser, de même que la purification et la caractérisation de ces esters lauriques de xylo-oligosaccharides
Lignocellulosic biomass is at the center of biorefinery development. This development is achieved by the fractionation of the main components of lignocellulosic biomass (cellulose and hemicelluloses) in order to produce biofuels, molecules of interest and agromaterials.This PhD thesis had the objective to study the transformation of wheat bran xylanes into pentose based surfactants. A two steps system was studied, a first step of enzymatic hydrolysis of wheat bran with hemicellulases (to produce xylose and arabinose) and a second step of sugar acylation catalyzed by a lipase to produce pentoses based surfactants.The PhD thesis mainly focused on the transesterification of D- xylose and L-arabinose (pure or obtained from wheat bran hydrolysate) by the immobilized lipase N435 with vinyllaurate. Several parameters were studied. Lauryl mono- and diesters of D- xylose and L-arabinose were produced by the lipase and their structures were elucidated. Physico-chemical properties of the original and newly produced pentoses based esters were investigated and shown the surfactant potential of these molecules. A preliminary approach was also developed to study the enzymatic synthesis of lauryl xylo-oligosaccharides esters by the lipase N435. Our results showed that such a production is possible but is less efficient than with monosaccharides. The production by transesterification of xylo-oligosaccharides with the lipase N435 needs to be optimized as well as the purification and the characterization of lauryl xylo-oligosaccharides esters

Ce travail a eu pour objectif de déterminer les conditions optimales de production d’un caroténoïde original, la torularhodine, par Sporobolomyces ruberrimus, cultivée en réacteur discontinu. Cette souche est capable d’utiliser le glycérol technique comme source de carbone et d’énergie pour sa croissance et pour la production de caroténoïdes. D’abord, il s’est agi d’identifier les facteurs opératoires majeurs qui sont susceptibles d’avoir une influence sur la production de la torularhodine, au travers d’une étude préliminaire. L’identification expérimentale de ces facteurs d’action - la température, le taux d’oxygène dissous et la supplémentation en acide oléique - a été validée statistiquement, à des degrés divers, avant d’engager une étape d’optimisation par la construction d’un plan d’expériences multicritère. Celui-ci a conduit à l’établissement de modèles polynômiaux du second degré pour représenter l’effet conjugué des facteurs retenus et permettre la prédiction des valeurs de µmax et de concentration de torularhodine rapportée à la biomasse. Cette étude a alors été consacrée à un essai de fonctionnalisation de la torularhodine, à partir de sa fonction carboxylique, en vue de la stabilisation de la molécule dont l’activité antioxydante est élevée. L’acylation enzymatique de la lysine par la torularhodine a été envisagée. Les conditions d’acylation par la lipase B de C. antarctica ont été déterminées avec un caroténoïde modèle, la bixine. Le produit dérivé obtenu après transacylation a été purifié et a montré une activité antiradicalaire supérieure à celle de la bixine. Ces résultats permettent d’envisager la synthèse de peptides acylés avec ce type de caroténoïdes
The aim of this work was to determine the optimum of an original carotenoid, the torularhodin, produced by Sporobolomyces ruberrimus, in batch culture. A very interesting characteristic of this strain is its ability to consume raw glycerol as a carbon and energy source for microbial growth and carotenoid production. In the fist part of this study, the identification of operating parameters that have an influence on the optimum torularhodin production, was achieved. Experimental assays reinforced by a statistical study allowed to identify temperature, dissolved oxygen pressure and oleic acid supplementation, as the major parameters of influence, and then the integration of these data was performed for the construction of a multiobjective optimization based on a multicriteria experimental design. The establishment of a mathematical model of a second degree polynomial type was developed for the prediction of the values of µmax and of the torularhodin concentration reported to biomass. In the last part, considering that torularhodin has an important antioxidant property and it exhibits a free carboxyl acid function which can be used as acyl agent, a study of its structure modifying by an enzymatic way as a stabilization pattern was started. The experimental conditions of lysine acylation by the lipase B of Candida antarctica were determined using a model carotenoid, the bixin. The resulting product of the synthesis of bixin derivative was purified and showed an antiradical activity of 2.5 times higher than that of bixin. This result showed the ability of the acylation reaction of peptides with this kind of carotenoids

Ce travail de thèse porte sur la réalisation et l’étude de transistors organiques à grille électrolytique (EGOFET) à des fins analytiques. Ces transistors à effet de champ ont comme particularité de fonctionner en présence d’un électrolyte et de travailler à de très faibles voltages. L’architecture des EGOFETs a été adaptée pour que leurs caractéristiques électriques soient dans une large mesure contrôlées par la structure et la composition de l’interface grille/électrolyte. Cette propriété fonctionnelle a été mise à profit pour la transduction d’évènements physico-chimiques localisés à la surface de la grille du transistor.Sur la base des variations de signal électrique des EGOFETs, la cinétique de chimisorption d’alkylthiols sur une grille en Au a pu être caractérisée. Cet exemple souligne la potentialité des EGOFETs pour l’étude in-situ et en temps réel de nombreux phénomènes de fonctionnalisation de surface. Cette propriété a été appliquée au suivi de la production in-situ d’un alkylthiol, la thiocholine, par une enzyme, l’acétylcholinestérase (AChE). En présence de son substrat, l’AChE génère de la thiocholine. L’ajout d’enzyme dans un dispositi fEGOFET contenant du substrat dans l’électrolyte provoque une variation du courant de drain corrélée à la quantité d’enzyme présente. Le dispositif a permis de doser l’AChE sur la gamme de 1,4.10−3 à 0,3 unité active, avec une limite de détection de 1,4.10−3 unité active. Cette méthodologie analytique propose une alternative aux dispositifs de lecture actuels des dosages immuno-enzymatiques
This work deals with the realisation and study of Electrolyte-Gated Organic FieldEffect Transistors (EGOFETs). These field-effect transistors have the peculiarity of operating in the presence of an electrolyte and at very low voltages. The EGOFETs architecture has been adapted so that its electrical characteristics are mostly controlled by the structure and composition of the gate/electrolyte interface. This property has been used for the transduction of physico-chemical events located on the surface of the transistor gate. Based on the electrical signal variation of the EGOFETs, the kinetics of alkylthiols self-assembly on Au gate can be characterised. This example hightlights the potentiality of EGOFETs for in-situ and real-time study of various surface functionalisation phenomena. This property has been applied to the monitoring of in-situ production of an alkylthiol, the thiocholine, by an enzyme, the acetylcholinesterase (AChE). In the presence of its substrate, AChE generates thiocholine. The addition of enzyme to an EGOFET device containing its substrate in the electrolyte causes a variation in the drain current correlated to the amount of enzyme present. The device allowed the determination of AChE over the pM range, with a limit of detection of 2 pM. This analytical capability offers an alternative to the current reading devices of enzyme immunoassays

Avec l’avènement des BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems), ce sont toutes les pratiques médicales, biologiques, environnementales et agro-alimentaires qui entament une nouvelle ère. Les enjeux scientifique et industriel se rejoignent dans la miniaturisation des systèmes de détection, l’amélioration de leurs sensibilités et la simplification de leurs procédés de fabrication. Cette thèse hautement interdisciplinaire s’inscrit dans le cadre de ces enjeux. Elle expose la fabrication, la bio-fonctionnalisation et l’application d’un BioMEMS pour l’analyse de réactions enzymatiques en temps réel et à l’échelle micrométrique. Deux choix stratégiques ont été adoptés pour ce travail: le premier concerne l’utilisation de la technologie des plasmas froids ou polymérisation plasma pour la fonctionnalisation de surface à travers le dépôt de films polymères d’allylamine. Ce dépôt a permis ultérieurement l’immobilisation covalente de la trypsine (enzyme modèle protéolytique) au sein du BioMEMS. Cette technologie a été également utilisée pour développer une méthode simple de microfabrication des circuits microfluidiques compatible avec une production à grande échelle. Le second choix concerne l’utilisation de ce bioMEMS autour d’une transduction TeraHertz (THz) mise au point au sein de l’équipe. La spectroscopie THz vise à détecter les événements moléculaires à l’échelle de la picoseconde, sans marqueur et d’une manière non-invasive, en sondant directement les liaisons chimiques de faible énergie. Au cours de ce travail, nous avons donc développé un procédé de fonctionnalisation de surfaces par des amines, optimisé une méthode de greffage des enzymes, et étudié l’activité de la trypsine immobilisée. Nous avons ensuite intégré ces étapes dans le procédé de microfabrication du BioMEMS. Les mesures réalisées dans le domaine sub-THz (0,06-0,11 THz) sur une réaction de biocatalyse confirment la faisabilité d’une telle approche comme méthode analytique en biologie. Les résultats des différentes études montrent également que le mariage des plasmas froids avec les méthodes lithographiques représente une voie efficace, rapide et très compétitive pour le transfert de la technologie des BioMEMS à l’échelle industrielle
The applications of miniaturized devices are no longer limited to electronic industry. Today, a new kind of microsystems called BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems) are spreading in different fields, including biomedical, environmental and food industry applications. Recurring challenges are focusing on enabling processes for smaller, cost-effective, high-functionality devices, with more sensitivity and suitability for industrial scale development. This highly interdisciplinary thesis work attempts to provide new solutions to meet some of the needs mentioned above. It reports the fabrication, functionalization, and applications of a BioMEMS for enzyme reaction monitoring. First, we have developed a PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) process for the surface functionalization by plasma polymerized allylamine. Films with high amine density and enhanced stability in aqueous environment were obtained. The amine functions were then used for enzymes immobilization. The covalently bonded trypsin molecules were extensively characterized and kinetic parameters determined using several microscopic and spectroscopic methods. Finally, both optimized processes were applied to the biofunctionalization of a TeraHertz (THz)-based BioMEMS. THz spectroscopy is the only non-invasive analytic method able to monitor molecular events at the picosecond timescale by probing low binding energies directly. It is used here for sensing a biocatalysis reaction inside the bioMEMS microchannels. Sub-THz measurements (0.06-0.11 THz) showed that combining microfluidic microsystems technology with THz detection could be a promising alternative for label-free real-time detection of biological interactions at the microscale. Additionally, we have developed a new microchannel fabrication process using direct plasma polymerization of TMDS (TetraMethylDiSiloxane) on micropatterned surfaces. This achievement demonstrates that cold plasma processes could be used not only for functionalization purposes or surface treatment but for the 3D microfabrication as well. This highly reduces processing time and manual handling steps, which is of a great importance for further industrial scale production

Avec l’avènement des BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems), ce sont toutes les pratiques médicales, biologiques, environnementales et agro-alimentaires qui entament une nouvelle ère. Les enjeux scientifique et industriel se rejoignent dans la miniaturisation des systèmes de détection, l’amélioration de leurs sensibilités et la simplification de leurs procédés de fabrication. Cette thèse hautement interdisciplinaire s’inscrit dans le cadre de ces enjeux. Elle expose la fabrication, la bio-fonctionnalisation et l’application d’un BioMEMS pour l’analyse de réactions enzymatiques en temps réel et à l’échelle micrométrique. Deux choix stratégiques ont été adoptés pour ce travail: le premier concerne l’utilisation de la technologie des plasmas froids ou polymérisation plasma pour la fonctionnalisation de surface à travers le dépôt de films polymères d’allylamine. Ce dépôt a permis ultérieurement l’immobilisation covalente de la trypsine (enzyme modèle protéolytique) au sein du BioMEMS. Cette technologie a été également utilisée pour développer une méthode simple de microfabrication des circuits microfluidiques compatible avec une production à grande échelle. Le second choix concerne l’utilisation de ce bioMEMS autour d’une transduction TeraHertz (THz) mise au point au sein de l’équipe. La spectroscopie THz vise à détecter les événements moléculaires à l’échelle de la picoseconde, sans marqueur et d’une manière non-invasive, en sondant directement les liaisons chimiques de faible énergie. Au cours de ce travail, nous avons donc développé un procédé de fonctionnalisation de surfaces par des amines, optimisé une méthode de greffage des enzymes, et étudié l’activité de la trypsine immobilisée. Nous avons ensuite intégré ces étapes dans le procédé de microfabrication du BioMEMS. Les mesures réalisées dans le domaine sub-THz (0,06-0,11 THz) sur une réaction de biocatalyse confirment la faisabilité d’une telle approche comme méthode analytique en biologie. Les résultats des différentes études montrent également que le mariage des plasmas froids avec les méthodes lithographiques représente une voie efficace, rapide et très compétitive pour le transfert de la technologie des BioMEMS à l’échelle industrielle
The applications of miniaturized devices are no longer limited to electronic industry. Today, a new kind of microsystems called BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems) are spreading in different fields, including biomedical, environmental and food industry applications. Recurring challenges are focusing on enabling processes for smaller, cost-effective, high-functionality devices, with more sensitivity and suitability for industrial scale development. This highly interdisciplinary thesis work attempts to provide new solutions to meet some of the needs mentioned above. It reports the fabrication, functionalization, and applications of a BioMEMS for enzyme reaction monitoring. First, we have developed a PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) process for the surface functionalization by plasma polymerized allylamine. Films with high amine density and enhanced stability in aqueous environment were obtained. The amine functions were then used for enzymes immobilization. The covalently bonded trypsin molecules were extensively characterized and kinetic parameters determined using several microscopic and spectroscopic methods. Finally, both optimized processes were applied to the biofunctionalization of a TeraHertz (THz)-based BioMEMS. THz spectroscopy is the only non-invasive analytic method able to monitor molecular events at the picosecond timescale by probing low binding energies directly. It is used here for sensing a biocatalysis reaction inside the bioMEMS microchannels. Sub-THz measurements (0.06-0.11 THz) showed that combining microfluidic microsystems technology with THz detection could be a promising alternative for label-free real-time detection of biological interactions at the microscale. Additionally, we have developed a new microchannel fabrication process using direct plasma polymerization of TMDS (TetraMethylDiSiloxane) on micropatterned surfaces. This achievement demonstrates that cold plasma processes could be used not only for functionalization purposes or surface treatment but for the 3D microfabrication as well. This highly reduces processing time and manual handling steps, which is of a great importance for further industrial scale production

L'extension de l'espace moléculaire chimique accessible à partir de la biomasse végétale par des méthodes douces et propres est un sujet d'actualité qui stimule la communauté scientifique afin de développer des produits biosourcés à faible impact environnemental et d'élargir le champ d'exploitation de la biomasse. La fonctionnalisation de la cellulose, le polysaccharide le plus abondant sur la planète, et/ou des cello-oligosaccharides telle que décrite dans cette thèse s'inscrit dans cette démarche. Notre objectif était de développer une méthode chimio-enzymatique impliquant l'action d'une laccase assistée par un médiateur pour oxyder des cello-oligosaccharides ou des fibres cellulosiques, suivie d'une amination réductrice pour greffer des composés aminés sur le matériau cellulosique. Dans ce but, nous avons d'abord démontré l'oxydation du cellobiose et du méthyl cellobiose en utilisant la laccase de Trametes versicolor et le TEMPO comme médiateur. Les conditions d'oxydation ont été optimisées avec le méthyl cellobiose et appliquées à un mélange de cello-oligosaccharides et au cellopentaose. En utilisant l'analyse LC/MS, nous avons montré qu'une large gamme de composés oxydés est obtenue et que la méthode est efficace pour produire des cello-oligosaccharides acides potentiellement intéressants pour les domaines biomédical et nutraceutique. Ensuite, nous avons montré que la réactivité du cellopentaose oxydé avec deux molécules aminées, la p-toluidine et la rhodamine 123 (un colorant aminé), permettait la liaison du composé aminé aux oligosaccharides. À l'aide des techniques LC/MS et MS/MS, nous avons mis en évidence la présence d'une liaison amine forte et covalente entre les colorants et le cellopentaose, élargissant ainsi l'espace chimique accessible par ce procédé hybride. Après avoir réalisé cette preuve de concept, nous avons tenté la teinture de fils de coton. Les fibres cellulosiques sont l'un des principaux matériaux textiles biosourcés et biodégradables. Cependant, le traitement chimique des textiles et notamment les méthodes chimiques utilisées pour fixer les colorants de manière covalente sont extrêmement polluants et nocifs pour la santé. Proposer des alternatives plus respectueuses de l'environnement est un défi mais d'un intérêt primordial pour une entreprise comme PILI, impliquée dans le projet de thèse, qui développe des colorants naturels en utilisant la biologie de synthèse. Ainsi, le potentiel du procédé hybride à deux étapes a été utilisé pour greffer avec succès la p-toluidine, la rhodamine 123 et le rouge acide 33 sur des fils de coton. La liaison covalente établie entre ces colorants et la fibre de coton a été prouvée pour la première fois. De plus, une bonne homogénéité et une bonne résistance au lavage ont été observées pour la teinture avec l'acid red 33, démontrant la robustesse et l'applicabilité de l'approche en situation réelle. Ces résultats originaux ont été brevetés. En testant d'autres colorants aminés, nous avons également montré que la solubilité, la réactivité et la structure du colorant aminé sont des paramètres importants à prendre en compte pour l'optimisation de la teinture, ce qui ouvre la voie à la synthèse à façon de nouveaux colorants aminés adaptés à ce procédé hybride prometteur
The extension of the chemical molecular space accessible from plant biomass by soft and clean methods is a timely topic that stimulates the scientific community in order to develop biobased products with low environmental impact and to widen the field of biomass exploitation. The functionalization of cellulose, the most abundant polysaccharide on the planet, and/or cello-oligosaccharides as described in this thesis is part of this approach. Our objective was to develop a chemo-enzymatic method involving the action of a mediator-assisted laccase to oxidize cello-oligosaccharides or cellulosic fibers, followed by reductive amination to graft amino compounds onto the cellulosic material. To this end, we first demonstrated the oxidation of cellobiose and methyl cellobiose using the laccase from Trametes versicolor and TEMPO as a mediator. Oxidation conditions were optimized with methyl cellobiose and applied to a cello-oligosaccharide mixture and cellopentaose. Using LC/MS analysis, we showed that a wide range of oxidized compounds is obtained and that the method is effective in producing acidic cello-oligosaccharides potentially of interest for the biomedical and nutraceutical fields. Then, we showed that the reactivity of oxidized cellopentaose with two aminated molecules, p-toluidine and rhodamine 123 (an aminated dye), allowed the binding of the amino compound to the oligosaccharides. Using LC/ MS and MS/MS techniques, we provided evidence for the presence of a strong, covalent amine bond between the dyes and cellopentaose, thus enlarging the chemical space accessible through this hybrid process. After completed this proof of concept, we attempted the dyeing of cotton threads. Cellulosic fibers are one of the main biosourced and biodegradable textile materials. However, chemical processing of textiles and especially the chemical methods used to covalently fix dyes are extremely polluting and harmful to health. Providing more eco-friendly alternatives is a challenge but of prime interest for a company like PILI, which was involved in the thesis project and is developing natural dyes using synthetic biology. Thus, the potential of the two-pot/two-step hybrid process was used to successfully graft p-Toluidine, rhodamine 123 and Acid Red 33 onto cotton thread. The covalent bond established between these dyes and the cotton fiber was proven for the first time. In addition, good homogeneity and wash-fastness were observed for acid Red 33 dyeing, demonstrating the robustness and applicability of the approach in real life. These original results have been patented. By testing other amino dyes, we also showed that the solubility, reactivity and structure of the aminated dye are important parameters to be addressed for dyeing optimization, which opens the way to the custom synthesis of new amino dyes suitable for this promising hybrid process

La diminution des ressources pétrochimiques facilement accessibles, suscite, depuis ces dix dernières années, un intérêt croissant pour l'utilisation de matières première d'origine renouvelable. L'industrie de première transformation du bois génère chaque année des volumes importants de déchets qui sont à l'heure actuelle, soit recyclés vers d'autres filières comme la papeterie ou l'industrie des panneaux, soit utilisés comme source d'énergie, et donc vers des marchés de faible valeur ajoutée. Le projet se situe dans ce contexte de développement durable, d'économie circulaire et de valorisation des co-produits de l'industrie du bois par l'exploitation des métabolites secondaires présents dans le bois, comme les composés phénoliques, et plus précisément les flavonoïdes qui présentent en effet un intérêt dans différents domaines en raison de leurs activités biologiques. L'objectif de ce travail est de fonctionnaliser des composés accessibles et abondants afin d'obtenir des composés polyfonctionnels à propriétés 2 en 1 et pouvoir ainsi simplifier les formulations cosmétiques. La fonctionnalisation a été envisagée par deux voies : hémisynthèse chimique et/ou catalyse enzymatique. Par hemisynthèse chimique nous avons pu accéder à des composés bi-modulaires en associant un acide gras et un flavonoïde non glycosylé, en l'occurrence la catéchine. Des acylations directes au niveau des hydroxyles phénoliques de la catéchine ont été étudiées et la régiosélectivité a été demontrée par spectroscopie RMN et confirmée par modélisation moléculaire. Nous avons également préparé des composés tri-modulaires par hémisynthèse chimique en associant différents acides aminés, ainsi que des acides gras de longueur variable à la catéchine. Trois structures trimodulaires différentes ont ainsi été synthétisées, afin d'obtenir différents types de composés. Par hémisynthèse enzymatique nous avons synthétisé des composés tri-modulaires, à partir des flavonoïdes glycosylés, la rutine et la narignine, en visant le greffage d'acides gras de différentes longueurs de chaine mais cette fois ci sur la partie glycosidique des flavonoïdes. Nous avons également synthétisé des composés penta-modulaires issus du greffage d'un acide dicarboxylique sur la naringine ou la rutine. Ces composés comportent deux entités flavonoïdes greffées de part et d'autre de la chaine carbonée du diacide. A l'issue de ces synthèses, les propriétés physico-chimiques des produits ont été étudiées, notamment leur solubilité dans l'eau, leurs propriétés anti-radicalaires mais également les propriétés tensioactives. Certaines activités biologiques ont également été étudiées comme l'activité antiproliférative vis-à-vis de cellules CaCo2. Afin de comprendre l'effet de la structure des composés sur leur capacité antioxydante, des travaux de modélisation moléculaire ont été entrepris ; des corrélations entre l'activité antioxydante des composés déterminée expérimentalement et des descripteurs de réactivité chimique calculés in silico ont été recherchées
The decrease in easily accessible petrochemical resources has given over the past ten years a growing interest in the use of raw materials of renewable origin. The primary wood processing industry generates large amounts of waste each year which are currently either recycled to other sectors such as paper mills or the panel industry, or used as a source of energy, and therefore to markets with low added value. The project is situated in this context of sustainable development, circular economy and valorization of co-products of the wood industry by the exploitation of secondary metabolites present in wood, such as phenolic compounds, and more precisely flavonoids, which are indeed of interest in various fields because of their biological activities.The objective of this work is to functionalize accessible and abundant compounds in order to obtain polyfunctional compounds with 2-in-1 properties and thus be able to simplify cosmetic formulations. Functionalization has been considered by two routes: chemical hemisynthesis and/or enzymatic catalysis.By chemical hemisynthesis we were able to obtain bi-modular compounds by combining a fatty acid and a non-glycosylated flavonoid, in this case we worked with catechin. Direct acylations on the phenolic hydroxyls of catechin have been studied and the regioselectivity has been demonstrated by NMR spectroscopy and confirmed by molecular modelling. We have also obtained tri-modular compounds by chemical hemisynthesis by combining different amino acids, as well as fatty acids of variable length with catechin. Three different trimodular structures have been synthesized.By enzymatic hemisynthesis we have synthesized tri-modular compounds, from glycosylated flavonoids, rutin and narignin, aiming for the grafting of fatty acids of different chain lengths but this time on the glycosidic part of the flavonoids. We have also synthesized penta-modular compounds resulting from the grafting of a dicarboxylic acid on naringin or rutin. These compounds comprise two flavonoid entities grafted on either side of the carbon chain of the diacid.At the end of these syntheses, the physico-chemical properties of the products were studied, in particular their solubility in water, their anti-radical properties but also the surfactant properties. Some biological activities have also been studied such as antiproliferative activity against CaCo2 cells. In order to understand the effect of the structure of the compounds on their antioxidant capacity, molecular modeling work has been undertaken; correlations between the antioxidant activity of compounds determined experimentally and chemical reactivity descriptors calculated in silico were sought

Le but de cette these est la synthese de nouvelles molecules pouvant avoir une activite inhibitrice de glycosidases. L'etape cle est la transformation d'une molecule de glucose en analogue carbocyclique par transposition de ferrier. Le carbocycle ainsi obtenu est traite en milieu basique pour donner une enone conjuguee qui sert de precurseur a toutes les molecules decrites dans ce rapport. La deuxieme partie de ce memoire, concerne la fonctionnalisation des carbocycles par epoxydation, amination ou episulfuration. Les epoxydes sont a la fois des produits finaux et des intermediaires de synthese pour la preparation des derives amines et des derives soufres. La derniere partie est consacree au greffage des pseudosucres qui ont montre le plus d'interet au niveau des tests biologiques, sur le glucose, pour obtenir des pseudodisaccharides dont on puisse faire varier l'hydrosolubilite

La premiere partie porte sur le developpement de capteurs immunologiques destines a la detection de l'alphafoetoproteine dans du serum. Ils sont bases sur une mesure electrique liee a la variation d'impedance electrochimique totale induite par l'interaction antigene-anticorps dans une membrane sensible contenant une immunoglobuline anti-alphafoetoproteine. Les supports utilises sont des heterostructures si/sio#2 et des electrodes de platine. La seconde partie est constituee de deux etudes portant sur des biocapteurs enzymatiques. La premiere d'entre-elles traite de l'elimination de l'influence de la concentration du tampon sur la reponse de transistors a effet de champ enzymatiques (enfet), par l'utilisation de membranes additionnelles. La deuxieme etude porte sur la mesure de creatinine dans des echantillons physiologiques. Il y est procede a la comparaison des approches microcalorimetrique et amperometrique
The first part deals with the development of immunological sensors for the detection of alphafetoprotein in serum. They are based on an electrical measurement related to the variation of the total electrochemical impedance inducted by the antigen-antibody interaction in a sensitive membrane containing anti-alphafetoprotein. The supports used were Si/SiO2 heterostructures and platinum electrodes. The second part is made of two studies dealing with enzymatic biosensors. The first of them deals with the removal of the influence of buffer concentration on the response of enzyme field effect transistors (ENFET) by using additional membranes. The second study deals with the measurement of creatinine in physiological samples. The microcalorimetric and the amperometric approaches are compared

Ce mémoire est consacré à l'optimisation de la connexion enzymatique d'enzymes pour l'oxydation du glucose et la réduction de O2 sur matrices de nanotube de carbone (CNT) dans les biopiles à glucose.Premièrement, le transfert électronique indirect de la glucose oxydase (GOx) est optimisé dans une matrice nanostructurée de CNT contenant la 1,4-naphtoquinone comme médiateur rédox. Cette bioanode a ensuite été combinée avec des biocathodes similaires à bases d'enzymes à cuivre (laccase et tyrosinase). La biopile GOx-NQ/Lac a permis d'obtenir des puissances maximales de l'ordre de 1,5 mW.cm-2. Les utilisations de cette pile en décharge courte, longue et sa stabilité dans le temps ont également été étudiées. La seconde partie présente la préparation d'une autre anode basée sur la connexion indirecte d'une glucose déshydrogènase NAD+-dépendante (GDH-NAD+) comme alternative pour l'oxydation du glucose. La GDH-NAD+ a été combinée avec un catalyseur d'oxydation de NADH par différentes méthodes. Tout d'abord, elle a été encapsulée au sein du métallopolymère rédox, puis, la modification supramoléculaire a dans un second temps permis d'immobiliser le catalyseur moléculaire et l'enzyme à la surface des CNTs. Ces deux bioanodes ont permis respectivement l'obtention de courants catalytiques d'oxydation du glucose de 1,04 et 6 mA.cm-2. La seconde bioanode a été combinée avec une biocathode à base de BOD et a permis l'obtention de densités de courants maximales de l'ordre de 140 µW.cm-2 La dernière partie concerne l'élaboration d'une biocathode bienzymatique pour la réduction de O2. Le DET de la HRP sur CNTs a dans un premier temps été optimisé par modification de la surface par différents dérivés pyrène. Ensuite, la combinaison de la GOx et de la HRP sur la même électrode a permis de réduire efficacement O2 en 2 étapes. La biocathode est capable de délivrer une densité de courant maximale de l'ordre de 200 µA.cm-2. Cette dernière, combinée avec la bioanode GDH présentée précédemment a permis d'obtenir une biopile opérationnelle en conditions physiologiques et 10 mM de NAD+, en étant capable de débiter une densité de puissance maximale de l'ordre de 57 µW.cm-2
This work focuses on the optimization of the electrical wiring of glucose oxidizing and dioxygen reducing enzymes on carbon nanotube (CNT) matrixes for glucose biofuel cells.In the first part, glucose oxidase (GOx) mediated electron transfer (MET) is optimized in nanostructured CNTs matrixes by mechanical compression of a CNTs/GOx composite containing 1,4-naphtoquinone as redox mediator. This bioanode was then combined with MCOs (laccase and tyrosinase) based biocathodes. The GOx-NQ/Lac biofuel cell was able to deliver a maximum power density of 1.5 mW.cm-2. The use of this biofuel cell in short/long time discharge and in storage has also been studied. The second part presents the preparation of another bioanode based on the indirect wiring of a NAD+-dependant glucose dehydrogenase (GDH-NAD+) as an alternative for glucose oxidation. The GDH-NAD+ has been combined with an NADH oxidation catalyst by two different techniques. The first one involves the encapsulation of the protein in the metallopolymer redox film, whereas the second one relies on the supramolecular modification of the CNTs by the molecular catalyst and the enzyme. Both bioanodes showed good catalytic properties toward glucose oxidation in presence of NAD+ with respectively 1.04 mA cm-2 and 6 mA cm-2. The latter has been combined with a BOD based biocathode to form a biofuel cell exhibiting maximum power densities of 140 µW cm-2. The last part of this work focuses on the design of a bienzymatic biocathode for O2 reduction. The DET of horseradish peroxidase (HRP) was first investigated and optimized by modification of the CNTs with pyrenes derivatives. The combination of the HRP with the GOx on the same electrode enables an efficient reduction of O2 in a 2-step process. The biocathode could exhibit maximum currents densities of 200 µA cm-2. This cathode along with the previous GDH bioanode formed a biofuel cell functional in physiological conditions and 10 mM NAD+ showing maximum power densities of 57 µW cm-2

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

Différents travaux de recherche ont été décrits dans cette thèse. Les travaux de recherche peuvent être résumés comme suit. Le premier chapitre a porté sur l'identification d’inhibiteurs puissants efficaces vis-à-vis de de l'isoenzyme anhydrase carbonique humaine I (hCAI). Considérant l'importance pharmacologique de trouver des inhibiteurs (CAIs) et des activateurs (AACs) sélectifs aux isoformes de l’anhydrase carbonique ), l'anhydrase carbonique humaine I (hCAI) a été confrontée en parallèle à diverses bibliothèques dynamiques constitutionnelles (CDL). Dans le deuxième chapitre, des réseaux constitutionnels dynamiques ont été préparés sous forme de systèmes membranaires liquides et solides agissant comme un réseau pour le transport spécifique des ions lanthanides. Le transport est basé sur la capacité de complexation des lanthanides (La + 3, Lu + 3, Eu + 3) avec les groupes polyéther fonctionnels situés dans les matériaux membranaires. Dans le troisième chapitre, l'approche proposée consiste en l'utilisation de membranes liquides ioniques supportées (SILMs) comprenant deux enzymes différentes de l'anhydrase carbonique, l’enzyme thermo-résistante SspCA et l'enzyme bovine-CA, qui catalysent la réaction de conversion réversible du CO2 en bicarbonate en favorisant la force motrice vers le transport de CO2. La stabilité des membrane, leur perméabilité vis-à-vis de CO2 et de N2 ainsi que la sélectivité idéale (CO2 / N2) ont été déterminées pour les membranes développées. Le quatrième chapitre porte sur la synthèse et la caractérisation de membranes polymères denses pour une application en séparation de gaz. Les mesures de perméabilité aux gaz des membranes polymères synthétisées ont montré que la perméabilité de CO2 est supérieure à celle des autres gaz testés (CH4 et N2). Dans le dernier chapitre, des membranes de PVDF ont été fonctionnalisées avec une enzyme, la phosphotriestérase (PTE), selon deux méthodes différentes pour construire un réacteur à membrane biocatalytique (BMR) avec pour finalité la bioconversion et la séparation sélective du substrat paraoxon. La première méthode met en œuvre une dispersion réversible de nanoparticules magnétiques de PTE qui est immobilisée à la surface de la membrane de PVDF sous l’effet d'un champ magnétique externe. A l’inverse, la seconde méthode porte sur le greffage chimique de l'enzyme PTE, après modification de la surface de la membrane de PVDF native (DAMP-GA-enzymatique). Les deux techniques d'immobilisation d'enzymes ont montré une bonne efficacité et une sensibilité à l'égard de la bioconversion du paraoxon dans les différentes conditions appliquées dans un réacteur à membrane biocatalytique (BMR).De façon globale, les concepts développés dans ce travail de thèse permettront d’ouvrir de nouvelles pistes de recherche allant vers le développement d'une membrane polymère sélective au transport d’ions, de gaz mais aussi active dans les réactions catalytiques enzymatiques grâce à un contrôle bio-moléculaire au niveau des matériaux membranaires
Different research works have been described in this thesis. The research works can be summarized as the following. The first chapter deals with the identification of effective potent inhibitors for the human carbonic anhydrase I (hCAI) isozyme. Considering the pharmacological importance to find selective CA inhibitors (CAIs) and CA activators (CAAs), human carbonic anhydrase I (hCAI) has been subjected to a parallel screening of various constitutional dynamic libraries (CDL). In the second chapter, constitutional dynamic networks have been used in liquid and solid membrane systems as a carrier network for transporting lanthanides. The transport is based on the complexing ability of lanthanides metals (La+3, Lu+3, and Eu+3) with the functional polyether groups in the membrane materials. In the third chapter, the proposed approach consists in using supported ionic liquid membranes (SILMs) comprising two different carbonic anhydrase enzymes, the thermo-resistant SspCA enzyme and the Bovine-CA enzyme, which catalyze the reaction of reversible conversion of CO2 to bicarbonate, enhancing the driving force for CO2 transport. Membrane stability, CO2 and N2 permeability and (CO2/N2) ideal selectivity were determined for the membranes developed. In the fourth chapter, the research work consists in the synthesis and characterization of dense polymeric membranes for gas separation application. The gas permeability measurements for the synthesized polymeric membranes showed that the permeability of CO2 is higher than other used gases (N2 and CH4). In the last chapter, two different methods of PVDF membrane functionalization with a phosphotriesterase (PTE) enzyme have been developed to construct biocatalytic membrane reactor (BMR) for bioconversion and selective separation of paraoxon substrate. The first method employs reversible dispersion of magnetic nanoparticle immobilized with PTE using an external magnetic field on the surface of native PVDF membrane. On the contrary, the second method comprises chemical grafting of the PTE enzyme, after surface modification of the native PVDF membrane (DAMP-GA-Enzyme). Both methods of enzyme immobilization showed good efficiency and sensitivity towards the bioconversion of paraoxon substrate at different conditions applied in a biocatalytic membrane reactor (BMR).In general, the concepts developed in this thesis research work will help bring new tracks on the way to the development of a polymeric membrane for selective ion and gas separation but also for selective catalytic reaction under bio(molecular) control

Avec l'avènement des BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems), ce sont toutes les pratiques médicales, biologiques, environnementales et agro-alimentaires qui entament une nouvelle ère. Les enjeux scientifique et industriel se rejoignent dans la miniaturisation des systèmes de détection, l'amélioration de leurs sensibilités et la simplification de leurs procédés de fabrication. Cette thèse hautement interdisciplinaire s'inscrit dans le cadre de ces enjeux. Elle expose la fabrication, la bio-fonctionnalisation et l'application d'un BioMEMS pour l'analyse de réactions enzymatiques en temps réel et à l'échelle micrométrique. Deux choix stratégiques ont été adoptés pour ce travail: le premier concerne l'utilisation de la technologie des plasmas froids ou polymérisation plasma pour la fonctionnalisation de surface à travers le dépôt de films polymères d'allylamine. Ce dépôt a permis ultérieurement l'immobilisation covalente de la trypsine (enzyme modèle protéolytique) au sein du BioMEMS. Cette technologie a été également utilisée pour développer une méthode simple de microfabrication des circuits microfluidiques compatible avec une production à grande échelle. Le second choix concerne l'utilisation de ce bioMEMS autour d'une transduction TeraHertz (THz) mise au point au sein de l'équipe. La spectroscopie THz vise à détecter les événements moléculaires à l'échelle de la picoseconde, sans marqueur et d'une manière non-invasive, en sondant directement les liaisons chimiques de faible énergie. Au cours de ce travail, nous avons donc développé un procédé de fonctionnalisation de surfaces par des amines, optimisé une méthode de greffage des enzymes, et étudié l'activité de la trypsine immobilisée. Nous avons ensuite intégré ces étapes dans le procédé de microfabrication du BioMEMS. Les mesures réalisées dans le domaine sub-THz (0,06-0,11 THz) sur une réaction de biocatalyse confirment la faisabilité d'une telle approche comme méthode analytique en biologie. Les résultats des différentes études montrent également que le mariage des plasmas froids avec les méthodes lithographiques représente une voie efficace, rapide et très compétitive pour le transfert de la technologie des BioMEMS à l'échelle industrielle.