Academic literature on the topic 'Isotopique labeling'

ABSTRACTVinylsilane polymerizes to form predominantly a carbosilane polymer using dimethyltitanocene catalyst. This is in contrast to alkylsilanes, which afford polysilanes under the same conditions. The mechanism of polymerization of alkenylsilanes has been shown to be fundamentally different from that for the polymerization of alkylsilanes. The silyl substituent apparently activates a double bond to participate in a number of polymerization processes in this system, particularly hydrosilation. Isotopie labeling indicates the involvement of silametallocyclic intermediates, accompanied by extensive nuclear rearrangement. Polymers and copolymers derived from alkenylsilanes have relatively high char yields even for conditions which afford low molecular weight distributions. Formation of crystalline β-SiC is optimum for a copolymer of an alkylsilane and an alkenylsilane having a silane/carbosilane backbone ratio of 85/15 and a C/Si ratio of 1.3/1.

Les molécules marquées par des isotopes de l’hydrogène possèdent de nombreuses applications dans divers domaines tels que la chimie, la biologie ou en science des matériaux. Dans le domaine de la recherche de nouveaux médicaments, les études liées à la pharmacocinétique nécessitent un accès rapide à des molécules marquées afin de ne pas impacter les coûts et les délais de développement. Le développement de la métabolomique a aussi entrainé une augmentation du besoin en molécules marquées isotopiquement. En effet, les molécules deuterées peuvent être utilisées en tant qu’étalons internes pour la quantification rapide des métabolites présents dans des tissus ou des fluides biologiques. La première partie de cette thèse concerne le développement d’une méthode générale de marquage de motifs de type thioéther dans des molécules complexes à l’aide d’une nouvelle réaction d’échange isotopique (catalysée par des nanoparticules de Ruthénium). D’un point de vue fondamental cette transformation représente le premier exemple de (Csp³)-H activation dirigée par un atome de soufre. En termes d’application, cette nouvelle réaction permet la synthèse rapide d’étalons internes pour la quantification LC-MS/MS et le marquage tritium de molécules complexes. La seconde partie de cette thèse relate le développement d’une nouvelle méthode d’homocouplage de phénylpyridines catalysée par Ru/C. Différents substrats comportant des substituants riches et pauvres en électron ont été couplés avec de bons rendements. Ces dimères ont ensuite été utilisés pour synthétiser de nouveaux complexes de bore dont les propriétés photophysiques ont été étudiées. Dans une troisième partie, la mise au point d’une réaction palladocatalysée permettant d’obtenir des molécules polycycliques contenant un motif de type pyridine est développée
Deuterated and tritiated compounds are widely used in numerous applications in chemistry, biology and material science. In the drug discovery and development process, ADME studies require quick access to labelled molecules, otherwise the drug development costs and timeline are significantly impacted. The rapid development of metabolomics has also increased the need for isotopically labelled compounds. In particular, deuterated molecules are used as internal standards for quantitative LC-MS/MS analysis of metabolites in biological fluids and tissues. In this context, a general method allowing the deuterium and tritium labelling of bioactive thioethers using a HIE reaction is described in the first chapter. From a fundamental point of view, this transformation is the first example of (Csp³)-H activation directed by a sulfur atom. In terms of application, this new reaction has been proved to be useful for the preparation of deuterated LC-MS/MS reference materials and tritiated pharmaceuticals owning high specific activity.In the second chapter of this manuscript, the development of a method allowing the cross-dehydrogenative homocoupling of 2-arylpyridines catalyzed by Ru/C is developed. Various substrates with different substituents were efficiently coupled to give the desired dimers in good yield. In terms of application, a series of pyridine-boron complexes derived from the phenyl pyridine dimers were also synthesized and their photophysical properties were studied.In the third chapter, a regioselective palladium catalyzed intramolecular arylation reaction allowing the synthesis of pyridine containing polycyclic compounds is described

Une méthode permettant de caractériser l’ensemble du métabolome secondaire de moisissures a été appliquée à la caractérisation des métabolomes de Penicillium nordicum, Penicillium verrucosum et Fusarium graminearum. Le substrat représentant l’unique source de carbone et d’azote des moisissures, chacun des champignons ont été mis en culture sur trois types de grains de blé: (i) grains naturels, (ii) grains marqués à 97% de 13C, et (iii) grains marqués à 53% 13C et 97% de 15N. Les extraits ont été analysés par HRMS. Les métabolites secondaires ont été spécifiquement détectés et leurs formules brutes ont été caractérisées. La caractérisation de nouveaux métabolites secondaires a ensuite été assistées par la génération de réseaux moléculaires de similarités MS/MS. L’étude de P. verrucosum et P. nordicum a permis de détecter 98 et 92 métabolites secondaires respectivement. Parmi eux, 80% étaient inconnus. La génération de réseaux moléculaires a permis de mettre en évidence un groupe de 25 composés se fragmentant de manière similaire. Seize de ces composés ont été identifiés comme étant des dérivés de fungisporines, des métabolites suspectés d’intervenir dans la croissance aérienne des champignons. Des analyses structurales ont permis de caractériser de nouveaux composés potentiellement impliqués dans l’infestation des denrées alimentaires. Le marquage du métabolome de F. graminearum par des isotopes stables a permis de mettre en évidence la production de 37 métabolites secondaires dont 29 inconnus lorsque le champignon se développe in vitro. Des analyses par MSn ont permis d’élucider les structures des fusaristatines C et D
Characterization of fungal secondary metabolomes became a great challenge in the last decades due to both the emergence of fungal threats, and the industrial interest of many natural products; In view of this, we recently developed an analytical strategy for fungal secondary metabolome characterization (Cano P. et al. Anal. Chem. (2013) 85:8412) based on untargeted MS metabolomics applied to labeled samples. This strategy has been here validated by application to the analysis of the complex secondary metabolomes of Penicillium verrucosum and Penicillium nordicum. HRMS acquisitions performed on specific isotopically labelled samples, MS/MS experiments and in-silico emerging tools such as molecular networks, allowed to characterize 181 metabolites, including 80% of new compounds, and the structural determination of seven potential new mycotoxins. Penicillium verrucosum (NRRL 5571) and Penicillium nordicum (NRRL 6062) were grown on wheat grains (Triticum aestivum) presenting different isotopic enrichments: (i) naturally enriched grains, (ii) 97% 13C, and (iii) 53% 13C / 97% 15N. Extracts of each culture were analyzed by HPLC coupled to a LTQ-Orbitrap mass spectrometer equipped with electrospray ionization, operating in the positive or the negative mode. Metabolites were then specifically detected according to the specific isotopic pattern of their respective isotopic enrichments. Known secondary metabolites were annotated using the Antibase database, then identified by comparison with standard compounds when available. Unknown secondary metabolites were annotated using molecular networks of MS/MS similarities (Watrous J. et al.; PNAS (2012) 109 E1743). Wheat grains representing the only source of carbon and nitrogen for fungal growth, the produced fungal secondary metabolites were either unlabeled (naturally enriched cultures), singly labeled (13C cultures) or doubly labeled (13C/15N cultures). This feature allowed discrimination of fungal metabolites against non-fungal compounds which remained unlabeled in the three substrates. Fungal origin was further confirmed by analysis of a control 12C wheat extract (without fungus). Furthermore, the comparison of m/z ratios of a same metabolite detected in the three different cultures, led to the unambiguous determination of the number of carbon and nitrogen atoms and therefore to the unambiguous characterization of its chemical formula. This approach previously developed and validated on a well characterized fungus, has been here successfully applied to the characterization of the complex and unknown secondary metabolomes of P. verrucosum and P. nordicum. Analyses of the two studied fungal strains allowed the detection of 181 secondary metabolites. Interestingly, only 20% of them are suspected to match known metabolites according to databases, meaning that 80% of this metabolome is unknown. To enhance unknown identification efficiency, a molecular network of MS/MS similarities has been generated from our data. A group of 24 metabolites with highly similar MS/MS spectra was highlighted on P. nordicum and P. verrucosum. Fifteen of them were identified as cyclic tetrapeptides from the fungisporin family. Tandem mass spectrometry experiments were performed to characterize the structure of these secondary metabolites. To the best of our knowledge, this is the first time these molecules are pointed out on these Penicillium species. More interestingly, seven of the other metabolites display some similarities with fungisporins, but have never been detected on fungal metabolomes. Furthermore, although the two studied strains are genetically close, these new metabolites seem to be strain specific

Les recherches sur les interactions porte-greffe/greffon chez la vigne en relation avec l’environnement perdurent depuis plusieurs décennies, mais les mécanismes physiologiques sous-jacents de la vigueur conférée sont toujours incompris. Ce manque de connaissance constitue un frein dans le développement des porte-greffes existants pour contrôler la vigueur et la productivité, ou dans la recherche de nouveaux génotypes de porte-greffe mieux adaptés aux conditions futures de production. L’objectif de ce travail est de comprendre par une approche de biologie intégrative couplant expérimentation et modélisation comment le porte-greffe interagit spécifiquement avec son greffon (et vice versa) pour modifier dès les premières étapes du greffage, les caractéristiques physiologiques de la plante entière afin de coordonner le développement et la croissance des parties aériennes avec celle des parties racinaires. L’azote étant considéré comme un élément-clef de contrôle de la croissance et de l’allocation de la biomasse au sein d’une plante, un accent particulier est porté sur le rôle de la nutrition azotée dans le contrôle trophique de la croissance du couple porte-greffe/greffon. Un travail expérimental en serre a été mené pour caractériser par marquage isotopique les flux d’azote (15N) et de carbone à l’échelle de la plante entière au sein de deux combinaisons de porte-greffe/greffon au stade végétatif : l’une conférant une forte vigueur (CS/1103P), l’autre une faible vigueur (CS/RGM), en réponse à une variation de la disponibilité externe en nitrate. Cette étude sur le couplage entre fonctions d’acquisition et d’utilisation des ressources azotées et carbonées a été complétée par un phénotypage dynamique de la croissance aérienne, de la répartition de biomasse entre les organes et de la composition biochimique et minérale des principaux organes de la plante. Nous avons ainsi pu appréhender les signaux de communication entre la partie aérienne et la partie racinaire de la vigne greffée, ce qui a abouti à l’élaboration d’un modèle conceptuel simplifié du fonctionnement de la vigne greffée. Une première version d’un modèle mécaniste basé sur un formalisme source-puits prenant en compte l’acquisition et l’allocation de C et N au sein de deux compartiments aérien et racinaire, ainsi que leur plasticité vis-à-vis de la disponibilité exogène et endogène en ressources a été élaborée. A terme, le modèle devrait permettre d’identifier des paramètres génétiques clef au niveau racinaire explicitant les différences de croissance et vigueur conférée observées selon les combinaisons porte-greffe/greffon
Research on rootstock/scion interactions in grapevine in relation to the environment persisted for several decades, but the physiological mechanisms determining the rootstock effect on scion vigour are still misunderstood. This lack of knowledge hampers the development of existing rootstocks to control the vigor and productivity, or research new rootstock genotypes better adapted to future conditions of production. The objective of this work is to understand by an integrative biology approach coupling experimentation and modeling how the rootstock interacts specifically with the scion (and vice versa) to change in the early stages of grafting , the physiological characteristics of the whole plant to coordinate the development and growth of the aerial parts with the root parties. Nitrogen is considered a key element in the control of the growth and the biomass allocation within a plant, and a particular emphasis is placed on the role of nitrogen nutrition in the nutritional control of the grafted grapevine growth. Experimental work was conducted in a greenhouse to characterize by isotopic labeling nitrogen (15N) and carbon flow within the whole plant for two rootstock/scion combinations at vegetative stage : one giving a strong vigour (CS/1103P), the other a low vigour (CS / RGM), in response to a change in the external nitrate availability. This study on the coupling between acquisition functions and use of nitrogenous and carbonaceous resources was completed by a dynamic phenotyping aerial growth, the distribution of biomass between the organs and the biochemical and mineral composition of the principal organs of plant. We were able to understand the communication signals between the aerial part and the root part of grafted vines, which led to the development of a simplified conceptual model of the functioning of the grafted vines. A first version of a mechanistic model based on a source-sink formalism taking into account the acquisition and allocation of C and N in both aerial and root compartments and their plasticity to the availability of exogenous and endogenous resource was developed

Cette thèse de Doctorat est rattachée au projet européen Eulafuel, visant à concevoir un biocarburant à partir des triterpènes du latex de l’épurge Euphorbia lathyris. Notre mission consiste à étudier l’origine biosynthétique des unités isopréniques constituant ces molécules. Proviennent-elles de la voie du mévalonate (MVA) et/ou de la voie du méthylérythritol phosphate (MEP) ? En premier lieu, nous avons mis au point un protocole de culture de la plante en conditions axéniques et comparé les profils triterpéniques de plantes cultivées dans différentes conditions. Nous avons ensuite montré, grâce à des expériences d’incorporation de précurseurs marqués au 13C et au 2H, que les isoprénoïdes d’E. lathyris étaient produits via la voie du MVA. La seconde partie de ce travail porte sur l’étude de l’origine biosynthétique d’isoprénoïdes de végétaux par GC-iRMS, une intéressante alternative aux expériences de marquage. Nous avons comparé les signatures isotopiques δD et δ13C des lipides provenant de huit organismes phototrophes et formulé plusieurs hypothèses permettant d’expliquer les différences de fractionnement isotopique observées
This PhD thesis is included in a European project, Eulafuel, aiming to use latex triterpenes of caper spurge (Euphorbia lathyris) as a biofuel source. Our investigation focuses on the biosynthetic origin of isoprene units. Are they produced via mevalonate (MVA) pathway and/or methylerythritol phosphate (MEP) pathway? First, we proposed a procedure to cultivate E. lathyris in axenic conditions, and we compared triterpenic profiles from plants grown in different conditions. Then, we showed, by incorporating 13C- and 2H-labeled precursors, that E. lathyris isoprenoids were produced via MVA pathway. The second part of this work is based on an isotopic analysis of plant isoprenoids by GC-iRMS, an interesting alternative to labeling experiments. We compared isotopic signatures (δD and δ13C) of lipids arising from eight phototrophic organisms and we proposed several hypothesis to explain the isotopic fractionation differences we observed

Le marquage isotopique par le deutérium et le tritium est largement utilisé en chimie, en biologie ainsi qu’en recherche pharmaceutique.De nombreuses méthodes de marquage par échange isotopique permettent d’atteindre des enrichissements isotopiques élevés, mais elles requièrent généralement l’utilisation de conditions drastiques (température élevée, acidité). Ainsi, une méthode générale de marquage, régiosélective et douce, applicable à une grande variété de substrats, reste encore à développer. Dans le premier volet de cette thèse, nous avons montré que des nanoparticules de ruthénium (RuNP@PVP), synthétisées par l’équipe du Pr. Bruno Chaudret (INSA Toulouse), catalysaient avec une grande efficacité la réaction d’échange H/D sur des amines, des pyridines et des indoles par C‒H activation, sous 2 bars de D2 à 55 °C. L’application à la deutération de huit molécules azotées d'intérêt biologique a montré que la réaction était efficace sans pour autant altérer l’intégrité chimique ou stéréochimique des composés. Cependant, le respect de la stéréochimie originelle d’un centre chiral C‒H activé demeurait un problème majeur. Nous avons donc entrepris l’étude de la réactivité des RuNP@PVP sur différentes classes de substrats azotés chiraux (amines, aminoacides et peptides) dans l’eau ou dans des solvants organiques. Nos résultats ont montré sans ambiguïté que la C-H activation des carbones C(sp3) chiraux s’effectuait efficacement, sélectivement et dans tous les cas avec une rétention totale de configuration. La large gamme d’application de cette procédure a été démontrée par le marquage de 3 amines chirales, 14 aminoacides naturels, 3 aminoesters aromatiques et 4 peptides. D’autre part, notre collaboration avec l’équipe du Pr. Romuald Poteau (INSA Toulouse) a permis d’identifier deux mécanismes réactionnels par simulation ab initio en parfait accord avec nos résultats expérimentaux : le mécanisme par métathèse de liaison σ et le mécanisme d’addition oxydante. Ces deux mécanismes impliquent deux atomes de ruthénium voisins agissant ensemble pour conduire à la formation d’un intermédiaire-clé original dimétallacycle à quatre centres.Le second volet de cette thèse est consacré au développement d’une nouvelle méthode de détermination de la conformation et de l’arrangement relatif de petites molécules auto-assemblées. Elle repose sur la synergie entre chimie de marquage, RMN du tritium à l’état solide et modélisation moléculaire. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés au dipeptide diphénylalanine (Phe-Phe) qui, selon le solvant utilisé, peut former des cristaux (structure résolue) ou s’auto-assembler en nanotubes dont la structure atomique reste inconnue. Trois dipeptides Phe-Phe ditritiés sur des positions aromatiques, définies à l’aide de la modélisation moléculaire par le Dr. Yves Boulard (CEA Saclay), ont été synthétisés. La RMN du tritium à l’état solide a permis au Dr. Thibault Charpentier (CEA Saclay) de mesurer, sur des échantillons cristallisés, trois distances inter-tritiums très proches des distances de référence. Cette technique a également mis en évidence un éventuel désordre d’orientation d’un cycle aromatique de Phe-Phe cristallisé. Une modélisation ab initio nous a également incités à entreprendre un double marquage Caryl et Cα de Phe-Phe, ce dernier utilisant les nanoparticules de ruthénium. Les essais de marquage au deutérium avec RuNP@PVP sont très encourageants et des études complémentaires sont en cours dans notre laboratoire pour parvenir au marquage au tritium. Ainsi, nous espérons mettre au point un nouvel outil d’étude structurale permettant d’accéder à la structure atomique de petites molécules intégrées dans des ensembles supramoléculaires complexes (nanotubes, peptides amyloïdes ou membranaires)
Isotopic labeling with deuterium and tritium is extensively used in chemistry, biology and pharmaceutical research.Numerous methods of labeling by isotopic exchange allow high isotopic enrichments but generally require harsh conditions (high temperatures, acidity). As a consequence, a general, regioselective and smooth labeling method that might be applicable to a wide diversity of substrates remains to develop. In the first part of this thesis, we demonstrated that the use of ruthenium nanoparticles, synthesized by Pr. Bruno Chaudret’s team (INSA Toulouse), allowed the mild (2 bar of deuterium gas at 55°C), effective and selective H/D exchange reaction of a large variety of nitrogen-containing compounds, such as pyridines, indoles and primary, secondary and tertiary alkyl amines. The usefulness and the efficiency of this novel methodology was demonstrated by the deuteration of eight nitrogen-containing molecules of biological interest without altering their chemical and stereochemical properties. However, the conservation of the original stereochemistry of an activated chiral C-H center remains a major issue. We studied the reactivity of RuNP@PVP on different categories of nitrogen-containing substrates (amines, aminoacids and peptides) in water or in organic solvents. Our results showed that C-H activation of chiral carbons C(sp3) took place efficiently, selectively and, in all cases, with total retention of configuration. The wide range of applications of this procedure was demonstrated by the labeling of three chiral amines, fourteen aminoacids, three aromatic aminoesters and four peptides. Moreover, our collaboration with Pr. Romuald Poteau’s team (INSA Toulouse) led to the identification of two mechanisms by ab initio simulation in agreement with our experimental results: the σ-bond metathesis mechanism and the oxidative addition mechanism. These two mechanisms imply two vicinal ruthenium atoms leading to the formation an original dimetallacycle key-intermediate with four centers.The second part of this thesis deals with the development of a new method for the determination of the conformation and the relative arrangement of auto-assembled small molecules. It is based on the synergy between labeling chemistry, tritium solid-state NMR and molecular modeling. We focused on the diphenylalanine dipeptide (Phe-Phe) which forms either crystals or self-assembled nanotubes depending on the solvent. If the crystalline atomic structure of Phe-Phe has been solved, the structure of the self-assembled nanotubes of Phe-Phe is still unknown. Three Phe-Phe dipeptides ditritiated on aromatic positions, determined with the help of molecular modeling by Dr. Yves Boulard (CEA Saclay), were synthesized. Tritium solid-state NMR allowed Dr. Thibault Charpentier (CEA Saclay) to measure, on crystallized samples, three inter-tritiums distances very close to the reference distances. This technique also revealed a possible orientational disorder on an aromatic cycle of crystallized Phe-Phe. Ab initio modeling led us to set a double labeling Caryl and Cα on Phe-Phe with ruthenium nanoparticles. Deuteration with RuNP@PVP are very promising and supplementary studies are in progress to perform tritium labeling. We expect to set a new tool of structural study to determine atomic structures of small molecules integrated in supramolecular complexes (nanotubes, amyloid peptides or membranes)

La métabolomique est une science relativement récente qui étudie les molécules de masses moléculaires inférieures à 1.5 kDa, présentes dans une matrice biologique donnée. Elle est le dernier maillon des sciences « omiques » et représente l’ultime réponse d’un organisme aux facteurs perturbant son fonctionnement. Aujourd’hui, de nombreux développements en spectrométrie de masse à haute résolution couplée à la chromatographie liquide (LC-HRMS), visent à améliorer la détection, l’identification et la quantification des métabolites mais également à augmenter la robustesse des analyses. C’est dans ce contexte que mon projet de thèse s’est intégré. L’un des objectifs de cette thèse a donc été de développer des méthodes permettant l’acquisition simultanée de spectres MS et MS/MS via des analyses en mode d’acquisitions dits « données dépendantes » et « données indépendantes ». Ces méthodes ont permis d’avoir la même sensibilité que les analyses classiquement réalisées en spectrométrie de masse à haute résolution, tout en acquérant des informations importantes pour l’identification des métabolites grâce aux spectres MS/MS. Ces développements ont pu être appliqués à une étude inter-laboratoires dans le cadre d’un projet européen. L’autre objectif majeur de ce doctorat a été la mise en place de stratégies pour la quantification de métabolites en matrice biologique. Pour ce faire, la production et la caractérisation de standards internes marqués aux isotopes stables ont été envisagées. Ainsi, des méthodes de synthèses chimiques par échanges H/D ont été évaluées et ont permis d’obtenir de nombreux composés marqués. L’exploitation des profils isotopiques obtenus pour ces composés a permis la mise en place d’une approche quantitative innovante par étalonnage interne multipoints. Cette méthode a pu être comparée aux approches classiques de dilution isotopique. Par ailleurs, l’étude de profils isotopiques a également pu être appliquée à des analyses préliminaires d’urines de souris métaboliquement marquées (in vivo) au carbone-13, à la fois pour du suivi cinétique d’incorporation du C-13 au sein de quelques métabolites ciblés mais aussi, à plus long terme, pour l’annotation et l’identification de nouveaux métabolites. In fine, l’ensemble des développements réalisés au cours de cette thèse ont permis d’atteindre un meilleur niveau d’identification des métabolites et d’améliorer leur quantification
Metabolomics is a relatively new science that studies molecules with a molecular weight below 1.5 kDa, present in a given biological matrix. It is the last link in the "omics" sciences and represents the ultimate response of an organism to factors that disrupt its functioning. Today, many developments in high-resolution mass spectrometry coupled to liquid chromatography (LC/HRMS) aim at improving the detection, identification and quantification of metabolites but also at increasing the robustness of the analyses. This PhD thesis took place in that context. One of its main objectives was to develop methods allowing the simultaneous acquisition of MS and MS/MS spectra via analyses in "Data Dependent Acquisition" and "Data Independent Acquisition" modes. These methods allowed the production of data with the same sensitivity as the traditional "Full Scan" analysis while providing more precise and relevant information for further metabolite identification. These methodological developments were applied to an inter-laboratory study as part of a European project. The other major objective of this PhD was to set-up strategies for the large-scale quantification of metabolites in biological samples. To do so, the production and characterization of isotopically labeled internal standards were investigated. Thus, chemical synthesis methods relying on H/D exchange was evaluated and enabled the production of a large panel of labeled compounds. Their isotopic pattern exploitation allowed the development of an innovative quantitative approach by multi-point internal calibration. This method was compared to the conventional isotope dilution approach. At last, isotope profiling was applied to the preliminary analysis of mouse urine samples obtained from mice that were in vivo labeled with carbone-13. The aims were to study the C-13 incorporation kinetics in targeted metabolites, but also to annotate and identify new metabolites. Overall, the set of developments carried out during this thesis have allowed to reach a better level of identification of metabolites and to improve their quantification

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des composés ubiquitaires issus de la combustion incomplète de matières organiques. Ils sont à l'origine de pollutions de l'environnement, surtout liées à l'exploitation des produits pétroliers, car ce sont des composés toxiques pour les êtres vivants et pour l'homme en particulier. De nombreuses bactéries capables de dégrader les HAP ont été isolées et étudiées, mais celles qui les dégradent in situ sont mal connues, car moins de 5% des bactéries du sol sont cultivables en laboratoire. Le premier objectif de cette étude était d'identifier les bactéries qui dégradent les HAP dans le sol par des méthodes moléculaires indépendantes de la culture. A cette fin, une stratégie de marquage isotopique in situ a été mise en œuvre qui repose sur l'utilisation du phénanthrène, un HAP à trois cycles, dans lequel l'isotope naturel du carbone a été remplacé par le 13C. Cette molécule a été introduite comme traceur dans des microcosmes contenant du sol provenant d'un bassin de rétention des eaux de ruissellement d'autoroute. Les bactéries ayant incorporé le 13C ont ensuite été identifiées par séquençage des gènes d'ARNr 16S amplifiés à partir de l'ADN marqué extrait du sol. Les résultats montrent que des Betaprotéobactéries peu étudiées à ce jour, appartenant aux genres Acidovorax, Rhodoferax, Hydrogenophaga et Thiobacillus, ainsi que des Rhodocyclaceae, étaient les principaux acteurs de la dégradation du phénanthrène. La prépondérance des Betaprotéobactéries a été établie par des mesures de PCR quantitative. Une analyse dynamique de la diversité bactérienne a montré que celle-ci changeait en fonction de la biodisponibilité du phénanthrène. En outre, la diversité d'arène-dioxygénases impliquées dans la dégradation des HAP a été explorée sur le plan phylogénétique et fonctionnel. Nous avons ainsi détecté des séquences nouvelles, pour la plupart apparentées à des dioxygénases de Sphingomonadales et de Burkholderiales. Grâce à la construction et l'expression d'enzymes hybrides, il a été possible, pour la première fois, d'associer une activité catalytique d'oxydation des HAP à des séquences partielles de gènes, amplifiées à partir de l'ADN du sol. Les résultats obtenus et les outils mis au point dans cette étude pourront servir à développer des méthodes de diagnostic et de suivi de biodégradation de polluants, par exemple dans le cadre d'opérations de bioremédiation de sites pollués par les HAP.

Les composés deutérés sont d’un intérêt grandissant dans des domaines variés. Par exemple, en pharmacologie, l'échange H/D peut améliorer les propriétés pharmacocinétiques de certains médicaments ou réduire leur toxicité. Les composés deuterés peuvent également être utilisés comme étalons internes en spectroscopie de masse. Il est donc important de trouver un moyen simple et sélectif d'échanger l'hydrogène avec le deutérium sur des molécules d’intérêt biologique. Les nanoparticules, de ruthénium en particulier, se sont révélées être des systèmes efficaces pour catalyser cet échange. Cependant, étant très actives, elles conduisent souvent à la réduction de substrats aromatiques. L'objectif principal du doctorat est l’élaboration de nouvelles nanoparticules permettant de contrôler la réactivité en échange isotopique H/D. Nous avons d’abord synthétisé des alliages Ru-Pt afin d’introduire du platine, moins actif en échange H/D, et donc empoisonner la surface du Ru. Nous avons montré qu’en changeant le précurseur de platine, on pouvait changer la distribution atomique de surface, et ainsi moduler la réactivité des nanoparticules. Nous avons finalement synthétisé des nanoparticules de nickel et d'iridium. Ces nanoparticules se sont avérées être des catalyseurs efficaces pour l'échange H/D, sans réduction de fonctions aromatiques. De plus, des sélectivités différentes ont été obtenues en fonction du métal utilisé
Deuterated compounds are molecules of great interest in various fields. In pharmacology, the H/D exchange can improve the pharmacokinetic properties of some drugs or reduce their toxicity. In addition, deuterium-labelled compounds can be used as internal standards for mass spectroscopy, or as tracers for the understanding of different reaction mechanisms. Therefore, it is important to find a way to exchange hydrogen with deuterium in a simple, selective and efficient way. The main goal of the PhD project is the synthesis of novel nanoparticles for isotopic exchange (H/D). Metal nanoparticles and more particularly ruthenium nanoparticles, has shown their efficiency to catalyze this exchange. However, ruthenium nanoparticles are very active in arene hydrogenation, and often lead to the reduction of aromatic substrates. In a second part of the work, we synthesized Ru-Pt alloys in an attempt to passivate the Ru surface with platinum, which is less-active in H/D exchange. We have shown that by changing the platinum precursor, we can change the atomic distribution of the surface, and thus we were able to modulate the reactivity of nanoparticles. We finally synthesized Ni and Ir nanoparticles. These nanoparticles have proven to be efficient catalysts for H/D exchange, without reducing aromatic functions. In addition, different selectivity was obtained depending on the metal used

Les associations organo-minérales jouent un rôle prépondérant dans la séquestration à long terme des matières organiques des sols forestiers, mais les contributions des différents types d’association organo-minérale à la stabilisation, ainsi que les processus microbiens qui en sont responsables, restent mal connus. Pour y remédier, des techniques de traçage isotopique ont été combinées à la séparation densitométrique séquentielle des associations organo-minérales. Ces dernières ont été investiguées in et ex situ, à différentes échelles spatiales (macroscopique, submicrométrique et moléculaire) et temporelles (de 8 heures à 12 ans).Quatre types d’association organo-minérale ont été distingués : les débris végétaux associés à quelques rares minéraux, les agrégats végétaux, les agrégats microbiens et les grains minéraux. Le traçage isotopique du carbone et de l’azote dérivés des litières de feuilles a mis en évidence, à l’échelle de la décennie, des transferts entre les différentes associations organo-minérales. Tous deux entrent dans le sol sous forme de fragments végétaux, puis migrent progressivement vers les agrégats végétaux et microbiens. Les agrégats apparaissent pertinents pour la stabilisation du carbone et de l’azote à l’échelle décennale. Une petite fraction du carbone et de l’azote apparaît rapidement stabilisée dans les grains minéraux denses. Nos observations du devenir du 15N indiquent que l’activité des microorganismes du sol est responsable de ces transferts. Les fragments de feuilles colonisés par les microorganismes sont progressivement incorporés dans les agrégats végétaux. A mesure que la décomposition se poursuit, les agrégats végétaux se disloquent pour former des agrégats plus stables, plus pauvres en matières organiques, plus enrichis en produits microbiens et plus compacts : les agrégats microbiens. La stabilisation microbienne a été étudiée aux échelles macroscopique, submicrométrique et moléculaire, principalement par NanoSIMS et LC-IRMS. Elle opère (i) directement par immobilisation dans les cellules microbiennes et (ii) indirectement via une abondante production de métabolites extracellulaires. La calibration des C/N obtenus par NanoSIMS a permis de déterminer qu’ils sont stabilisés dans les associations organo-minérales sans contrôle apparent de la chimie des matières organiques. L’incorporation du 13C dans les sucres aminés, biomarqueurs des biomasses bactériennes et fongiques, indique que les microorganismes vivants croissent où la ressource se trouve. Ils s’accumulent dans les agrégats microbiens via les processus de transfert précédemment évoqués. Ce travail souligne l’importance des agrégats pour la séquestration du carbone et de l’azote dérivés des litières à l’échelle de la décennie. Il met également en évidence le rôle des microorganismes dans les transferts et la stabilisation du carbone et de l’azote dérivés des feuilles au sein d’associations organo-minérales
Organo-mineral associations play a key role in the long-term sequestration of organic matter in forest soils. However, knowledge about the contribution of the different types of organo-mineral associations and the microbial processes involved in soil organic matter stabilisation is scant. To solve it, stable isotope techniques have been combined with the sequential density fractionation of organo-mineral associations. Isolated fractions were investigated in field and in lab, at different temporal (from 8 hours to 12 years) and spatial scales (macro-, submicron- and molecular scales).Four types of organo-mineral associations were distinguished: plant debris with little mineral attached, plant aggregates, microbial aggregates and mineral grains. Isotopically labeled beech leaf litters were tracked at a decadal time-scale to reveal transfers in between organo-mineral associations. Both litter-derived carbon and nitrogen entered the soil as plant fragments to progressively pass through plant and microbial aggregates. Aggregates appeared particularly meaningful for the stabilisation of litter-derived carbon and nitrogen at a decadal time-scale. Little of the litter-derived carbon and nitrogen was found quickly stabilized to mineral grains. Microbial activities appeared as a major controlling factor for the evolvement of organo-mineral associations, responsive for the transfers of litter-derived carbon and nitrogen. Indeed, plant debris colonized by microorganisms are progressively trapped into plant aggregates. As decomposition proceeds, plant aggregates disrupt into denser microbial aggregates. These aggregates are loaded with lesser organic matter, but enriched in stable microbial materials.Stabilisation by soil microorganisms has been studied at the macro-, submicronand molecular- scales, using mostly NanoSIMS and LC-IRMS. Microbial stabilization operated (i) directly through immobilization in microbial cells and, (ii) indirectly through large production of extracellular microbial products. By calibrating the NanoSIMS for accurate C/N ratios, extracellular microbial products have been shown to be stabilized onto organo-mineral associations without apparent control of the mineral-attached organic matter chemistry. The incorporation of 13C tracers into amino sugars, biomarkers of bacterial and fungal biomasses, revealed that living microorganisms grow where the resource is, but accumulate in microbial aggregates. Microbial biomasses moved from plant debris to microbial aggregates, likely along with the transfers of decaying litter residues as described above.This work points aggregates as meaningful organo-mineral associations for the sequestration of litter-derived carbon and nitrogen at the decadal time-scale. It also revealed the role of microorganisms in the transfers and stabilization of litterderived carbon and nitrogen within organo-mineral associations