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Layered double hydroxides and their composites: design, synthesis and specific applications

/ Grosu Elena-Florentina / Université Lille1 - Sciences et Technologies, Universitatea tehnică "Gheorghe Asachi" (Iaşi, Roumanie) / 05-04-2019
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Explorer les caractéristiques à l'échelle nanométrique de la matière et la combiner avec d’autres matériaux, permettent la fabrication de nouveaux objets avec des fonctionnalités améliorées, pour une utilisation potentielle dans le domaine biomédical, la catalyse, l'ingénierie, l'électronique, la biotechnologie, etc… Les argiles anioniques, également appelées des Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL), constituent une catégorie de matériaux hydrotalcite qui possèdent une grande variété de compositions et une capacité d'auto-assemblage. Lorsque ces HDL sont utilisés en présence de systèmes biologiques, ils agissent comme des matériaux soft, sans effet significatif sur les biomolécules constitutives. Dans ce contexte, le sujet de thèse porte sur la conception de matériaux HDL nanostructurés, leur caractérisation physico-chimique et leur utilisation en photocatalyse, biomédecine et biochimie. La première partie de ce travail aborde la fabrication de nanoparticules auto-assemblées (NP) sous forme de matériaux Au, In, Ag et Ga sur ZnHDLs en utilisant la co-précipitation suivie par une étape de reconstruction/imprégnation. Les techniques de caractérisation utilisées ont montré que les nouveaux matériaux avaient une structure hydrotalcite, qu'ils étaient cristallins et que, après reconstruction, la structure initiale était récupérée. Les nanomatériaux NP/HDL ont montré une activité de photodéposition élevée lorsqu'ils étaient irradiés sous une lumière solaire simulée et étaient capables de photodégrader des polluants organiques tels que le phénol, le p-nitrophénol, l'acétophénone et le diclofénac. L'amélioration des performances des matériaux hybrides néoformés, par rapport à leurs matériaux d'origine, est une conséquence de la formation d'une séparation superficielle entre les NP dispersés et la surface d'argile, ce qui conduit à une diminution du taux de recombinaison. La seconde partie de cette thèse étudie les interactions entre les matériaux ayant pour base HDL ou Au/HDL et l'enzyme Peroxydase de raifort (HRP). Les résultats ont montré que les produits HDL résultant de la calcination de l’argile à 550° C sont capables d’immobiliser l’enzyme par adsorption, avec reformage de la structure en couches. Les données cinétiques ont montré que seuls les matériaux sans AuNPs conservent l'activité de l'enzyme, alors que ceux contenant les AuNPs dans leur structure sont « enzymatiquement » inactifs. Le concept de dégradation photo-enzymatique du phénol sous irradiation solaire et en présence de biohybride HRP/HDL a également été confirmé. Le résultat a montré un effet synergique de la dégradation enzymatique et photocatalytique. De plus, il a été démontré que HRP peut influencer la libération de particules d’Au de la surface des Au/HDL lors de la formation de complexes HRP-AuNPs. Dans une seconde étude, le cofacteur nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) a été régénéré à partir de NAD+ en présence de Au/HDL, de lumière solaire et en utilisant de la flavine mononucléotide (FMN) comme médiateur électronique. À une valeur de pH égale à 8, la régénération du NADH était totale dans un intervalle de temps de deux heures. Dans la dernière partie de ce travail de thèse, les interactions entre les matériaux Au/HDL et le virus de l'hépatite B (VHB) ont été étudiées. Les données de cytotoxicité ont montré que les matériaux HDL n’avaient pas d’influence significative sur la viabilité des cellules. De manière remarquable, les formulations Au/HDL ont montré qu’elles peuvent inhiber la prolifération du VHB. Les HDL bruts manifestent une activité antivirale modeste.

Valorisation du glycérol par catalyse enzymatique

/ De Sousa Lopes Moreira Maxime / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 28-11-2018
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Depuis les années 90, la production mondiale de biodiesel ne cesse d’augmenter passant de 15000 à plus de 430000 barils par jour. Lors de la synthèse des biodiesels, « un déchet » est produit à hauteur de 10 %, le glycérol, ce qui représente une manne financière importante. Ce travail de thèse, financé par la SAS PIVERT, a eu pour objectif de valoriser ce glycérol en glyoxal, une molécule plate-forme, en utilisant la catalyse enzymatique. Trois réactions ont été étudiées : une première concernant l’oxydation du glycérol en glycéraldéhyde, une seconde réaction de clivage du glycéraldéhyde en glycolaldéhyde et une troisième réaction d’oxydation du glycolaldéhyde en glyoxal. Les enzymes qui catalysent ces réactions ne sont pas commerciales, nous avons donc développé deux approches pour rechercher ces enzymes. Concernant les oxydases, un programme bio-informatique a été développé pour rechercher une activité enzymatique cible dans la biodiversité. En ce qui concerne la réaction de clivage du glycéraldéhyde, nous avons opté pour une approche de mutagénèse dirigée à partir de la fructose-6-phosphate aldolase basée sur des études de docking. Cette enzyme a été choisie grâce à une étude bibliographique. En effet, elle possédait de nombreux critères indispensables pour notre étude. Ce travail a permis, au sein de notre laboratoire, de développer de nouvelles approches de recherche d’activités enzymatiques dans la biodiversité et une automatisation complète de tout le processus de bio-informatique et de biologie moléculaire.

Identification, caractérisation, production et application des biosurfactants lipopeptidiques de Pseudomonas spp.

/ Zouari Oumaima / Université Lille1 - Sciences et Technologies, Université de Sfax (Tunisie) / 22-12-2017
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Des souches de Pseudomonas ont été isolées à partir d’échantillons de sol contaminés par les hydrocarbures ou par de l’huile végétale et d’effluent industriel en vue d’en sélectionner les bactéries ayant un potentielle de production des molécules biosurfactantes. Le criblage a été réalisé en s’appuyant essentiellement sur la mesure de la tension de surface et l’activité émulsifiante. Trois souches ont été choisies pour leurs intéressantes activités biosurfactantes et émulsifiantes. Une identification phénotypique et moléculaire des souches sélectionnées a été réalisée en se basant essentiellement sur le séquençage de leurs ARNr 16S et dont l’arbre phylogénétique a révélé qu’il s’agit de souches qui sont génétiquement très proches et appartiennent au groupe des Pseudomonas putida avec une grande similarité au Pseudomonas alkylphenolica KL28 (99%). L’étude de l’applicabilité des biosurfactants produits a été évaluée en testant leur stabilité à des conditions extrêmes de pH, Température et salinité. Les résultats ont révélés que ces biosurfactants ont maintenu leurs activités à un intervalle de pH compris entre 6 et 12, à une température allant jusqu’à 80°C et à une forte salinité (10%). L’étude du potentiel des souches productrices des biosurfactants dans la dégradation du diesel dans les sols contaminés a été réalisée pour une durée de 1 mois. Les résultats ont montré que les 3 souches possèdent une capacité de dégradation du diesel sur sable avec des débits d’élimination considérables. Une identification de la nature chimique des biosurfactants produits en utilisant une chromatographie sur couche mince (CCM) et la spectrométrie de masse MALDI-ToF sur des surnageants semi-purifiés par une précipitation acide a révélés que ces molécules sont de nature lipopeptidique et ayant des masses comprises dans l’intervalle de masse des syringafactines. L’identification structurale de ces molécules a été effectuée en spectrométrie de masse faite sur les biosurfactants purifiés par des techniques chromatographiques et membranaires et par l’étude bioinformatique du génome bactérien séquencé. Les résultats de cette identification ont été obtenus en combinant les révélations issus de ces 2 dernières techniques et ont montré qu’il s’agit de 2 lipopeptides ayant des structures inconnus et qui sont ~89% similaires aux Syringafactines et aux cichofactines. Une optimisation des conditions de culture a été ensuite réalisée en utilisant des plans d’expériences qualitatifs et quantitatifs. La fermentation Batch réalisée dans les conditions optimisées a montré une augmentation de la production des lipopeptides d’un facteur de 2,6.

Purification de la RuBisCO à partir de la Luzerne, hydrolyse enzymatique, identification, structure-fonction des peptides bioactifs et leur valorisation dans des produits alimentaires

/ Kobbi Sabrine / Université Lille1 - Sciences et Technologies, Université de Sfax (Tunisie) / 14-12-2017
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La luzerne est la plante la plus cultivée dans le monde et est une excellente source de protéines. Cependant, la RuBisCO a montré le plus d'intérêt. Cette protéine a été étiquetée comme la protéine la plus abondante sur terre, elle constitue environ 65% (p/p) des protéines solubles de la luzerne. Dans ce travail une nouvelle méthode a été mise en place pour la purification de la RuBisCO à partir de la poudre de luzerne 10% (p/v) en utilisant deux solvants différents et l’effet du pH. Premièrement, des méthodes d’analyse qualitative et quantitative ont été utilisées pour confirmer l’efficacité de la méthode de purification qui pourrait remplacer certains procédés industriels classiques. Puis, une hydrolyse pepsique a été réalisée sur la RuBisCO purifiée qui aboutit à une forte population peptidique bioactive. Les peptides finaux de 24h d’hydrolyse ont montré une meilleure activité antibactérienne ou antioxydante par rapport aux autres hydrolysats. 9 nouveaux peptides antibactériens ont été identifiés et caractérisés par SM et qui ont un CMI entre 2-6mM contre quatre espèces de bactéries: B subtilis, E coli, L innocua et M luteus. En plus, des fractions peptidiques antioxydantes ont également été identifiées dans ce travail. Et leur activité antioxydante a été évaluée par différents tests in vitro et in vivo sur l’huile de Colza. Enfin, l’addition du peptide RDRFL issu de l’hydrolyse pepsique de la RuBisCO a montré un effet positif sur la prolongation de la durée de conservation de la viande hachée et de la purée de tomate.

Nouveau concept de catalyse hybride pour l’obtention du 5-HMF à partir du glucose

/ Gimbernat Alexandra / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 08-12-2017
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Les considérations environnementales actuelles encouragent la production d’intermédiaires chimiques bio-sourcés à travers des processus durables et plus respectueux de l'environnement nécessitent la conception de nouveaux systèmes catalytiques « sur mesure » recyclables. L’association de la catalyse biologique et de la catalyse chimique, appelée « catalyse hybride », fait partie de ces nouveaux concepts pouvant répondre aux défis émergents posés par la valorisation de la biomasse. C’est dans ce contexte d’émergence de la catalyse hybride que nous avons développé un procédé hybride innovant d’obtention de 5-hydroxyméthylfurfural (5-HMF), molécule plateforme clé pour l’obtention de monomères biosourcés, à partir du glucose. Les problèmes de compatibilités liées au couplage « one-pot » de l’enzyme d’isomérisation du glucose et du catalyseur chimique de déshydratation ont été résolus par la mise en œuvre d’une membrane liquide transportant le fructose. Les conditions réactionnelles optimales de chacune des 3 étapes du procédé (isomérisation du glucose, transport du fructose, déshydratation du fructose) ont été étudiées individuellement. Un premier procédé en « cascade » a alors été mis en place dans ces conditions, permettant de valider la faisabilité du procédé de production du 5-HMF. Un second procédé de catalyse hybride a ensuite été mis en place dans un réacteur innovant spécialement conçu. Ce procédé a permis de lever le verrou lié à la compatibilité des conditions des deux catalyseurs et de dépasser la limitation de rendement liée à l’équilibre thermodynamique de la réaction d’isomérisation.

Correlation between lipopeptide biosynthesis and their precursor metabolism in Bacillus subtilis

/ Dhali Debarum / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 15-12-2016
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Dans ces travaux des approches de génie génétique et métabolique ont été mises en œuvre pour augmenter la fourniture des précurseurs nécessaire à la biosynthèse d’un lipopeptide produit par Bacillus subtilis. Un réseau métabolique du métabolisme des acides aminés chez B. subtilis a d'abord été formalisé et modélisé par des outils bioinformatique. Puis, grâce à l’utilisation de la programmation par contrainte et à l’interprétation abstraite des interruptions de gènes ont été prédites dans ce réseau. Les prédictions se sont basées sur des gènes qui sont directement ou indirectement impliqués dans la régulation des gènes responsables de la biosynthèse de certains acides aminés ou dans le métabolisme central du carbone. Une stratégie de suppression de gènes sans l’utilisation de marqueur antibiotique (technique du Pop-in Pop-out) a été entreprise pour mener à bien ces multiples délétions dans une même souche et en évitant ainsi une limitation par les antibiotiques. Les résultats obtenus suite à la délétion de ces gènes ont montrés un impact différent sur la production du lipopeptide tant d’un point de vue quantitatif que qualitatif. Ce travail a établi que la limitation de la biosynthèse du lipopeptide par la fourniture en précurseur peut être surmontée en utilisant cette approche intégrée.

Eco-procédés d'extraction de polyphénols antioxydants à partir d'un co-produit agro-alimentaire

/ Pradal Delphine / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 09-12-2016
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Dans un contexte de développement durable, des méthodologies pour l'optimisation multicritère d'éco-procédés pour la récupération de polyphénols antioxydants à partir de co-produits ont été proposées, tenant compte des rendements en polyphénols totaux, de l'activité antioxydante des extraits obtenus à partir de marc de chicorée ainsi que de la consommation d'énergie de l'équipement durant le temps de traitement. L'étude d'un procédé d'extraction assistée par ultrasons a permis de mettre en évidence les gains en durée de traitement et en énergie grâce à l'application des ultrasons. Un modèle global a été développé comme outil pour l’optimisation multicritère (rendement en polyphénols, activité antioxydante et consommation d'énergie) des conditions d’extraction des polyphénols (intégrant le temps, la température, la composition du solvant et la puissance des ultrasons). Après une étude préliminaire d’enrichissement des extraits en utilisant différents adsorbants, la résine Amberlite XAD 16 a été choisie comme la plus appropriée pour l’adsorption des polyphénols extraits du marc de chicorée. Un procédé intégré permettant d'extraire et de purifier simultanément a permis un enrichissement en polyphénols de 2 à 4 fois des extraits de marc de chicorée. Un modèle permettant l'optimisation multicritère de ce procédé a été proposé en tenant compte de la quantité de polyphénols récupérés, de l'activité antioxydante des extraits et de la consommation d'énergie de l'équipement sur la base des conditions opératoires temps de traitement, débit de la phase aqueuse et ratio marc de chicorée-adsorbant.

Devenir des peptides bioactifs générés au cours de la digestion gastro-intestinale d’une protéine agroalimentaire et leurs rôles dans la régulation de l’homéostasie énergétique

/ Caron Juliette / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 08-12-2016
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Les protéines alimentaires sont plus qu’une simple source d’acides aminés pour notre organisme. Elles interviennent dans l’homéostasie énergétique en modulant notamment la sécrétion d’hormones intestinales, telles que les cholécystokinines (CCK) ou le Glucagon-Like Peptide 1 (GLP-1). L’objectif global de cette thèse a été de comprendre comment la digestion gastro-intestinale (GI) d’une protéine alimentaire pouvait générer des peptides bioactifs impliqués dans la régulation de l’homéostasie énergétique. L’hémoglobine bovine a été choisie comme protéine modèle. Les activités biologiques ciblées ont été la régulation de la sécrétion des hormones CCK et GLP-1 ainsi que l’inhibition de la dipeptidyl peptidase IV (DPP-IV) qui module l’activité du GLP-1. Un modèle statique de digestion GI in vitro a d’abord été mis en place. La caractérisation analytique des digestats d’hémoglobine a été réalisée et a abouti à la création de cartographies peptidiques au sein des différents compartiments du tractus GI. Ensuite, les activités biologiques des digestats ont été étudiées et le digestat intestinal a ensuite été sélectionné pour son potentiel bioactif. Des étapes de fractionnement successives ont permis d’isoler les fractions peptidiques bioactives. L’utilisation de modèles cellulaires a permis d’étudier le passage des peptides contenus dans une fraction au travers de la barrière intestinale et de tester leur potentiel bioactif dans des conditions proches des conditions physiologiques. Enfin, le mode d’action des peptides actifs identifiés a été étudié.

Fengycin production by strains of bacillus: molecular and physiological aspects

/ Yaseen Yazen / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 11-07-2016
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Ce travail a pour objectif d’analyser la surproduction de fengycine par la souche de B. subtilis BBG 21, en comparant la synthèse à celle d’autres souches de Bacillus. BBG21 produisant également des surfactines, nous avons aussi analysé la co-production des lipopeptides dans cette souche. Le travail montre le rôle des promoteurs Pfen et Ppps dans la synthèse des fengycines. L’analyse de la séquence met en évidence 10 nucléotides manquants entre Ppps168 et PfenBBG21 et la modification d’un nucléotide de « l’UP element » entre BBG 21 et ATCC 21332. Dans un second temps, certaines conditions biotiques et abiotiques influençant l’expression du promoteur Pfen et la synthèse de fengycines et de surfactines ont été testées dans le dérivé BBG 208. Les sources de carbone orientent la synthèse vers une famille de lipopeptides alors que la plupart des sources d’azote permettent la cosynthèse à haut niveau des 2 molécules. Une forte expression du promoteur Pfen couplée à une synthèse importante de fengycines a été mise en évidence lorsque l’urée ou le mélange urée ammonium sont utilisés comme source d’azote et le mannitol comme source de carbone. Les conditions de température, de pH et d’oxygénation sont importantes pour la synthèse de fengycine et ces conditions sont spécifiques aux sources de carbone ou d’azote présentes dans le milieu. Enfin, nous avons étudié la synthèse des molécules chez des mutants surfactine - et pnp ase – issus de la souche Bs 168. Les résultats montrent que le régulateur srfAA affecte significativement la production de fengycines alors qu’il n’y pas action de srfAC. Chez les mutants pnpase - il y a une forte diminution des 2 lipopeptides.

Deciphering new nonribosomal peptide synthetases and their products from genomic data

/ Esmaeel Qassim Abdullah Ahmed / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 08-07-2016
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Les micro-organismes sont considérés comme l'une des sources les plus importantes de métabolites secondaires, y compris les peptides ribosomiques et non ribosomiques. La recherche de nouveaux peptides non ribosomiques a été motivée par leurs larges applications dans diverses industries telles que les secteurs pharmaceutiques et phytosanitaires. Ils sont produits par complexes enzymatiques appelés NRPSs. Plus de 70% des peptides non ribosomiques ont une structure complexe qui comprend un ou plusieurs cycles et des ramifications. Par conséquent, le développement d'outils spécifiques dédiés à la prédiction de ces peptides est nécessaire car ils ne peuvent pas être prédits et analysés comme les peptides classiques. Dans le but d'analyser les voies de biosynthèse et d'identifier de nouveaux peptides actifs, j'ai étudié principalement deux modèles bactériens: Burkholderia et Aeromonas. Le genome-mining est un’ approche très performante pour la découverte de nouveaux NRPs. En effet, pour 48 souches de Burkholderia analysées in silico à l’aide du workflow Florine, 228 clusters de gènes contenant des gènes de NRPS et hybrides NRPS-PKS ont été trouvés. Cette étude a permis de mettre en évidence de nouveaux peptides produits par des Burkholderia, incluant la phymabactin, un nouveau siderophore, et un lipopeptide cyclique que nous avons appelé burkhomycin. La présente étude a d’autre part permis d’éclaircir le mécanisme de fonctionnement des synthétases non ribosomiques, illustrés par la détection des domaines C/E dans des synthétases de lipopeptides cycliques et une utilisation originale des domaines et modules dans les NRPS impliquées dans la biosynthèse des amonabactines chez A.hydrophila.

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