Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

L’évaluation de la compétence professionnelle des futurs maitres du Québec à intégrer les technologies de l'information et des communications (TIC) : maitrise et usages

Au Québec, la compétence professionnelle à intégrer les technologies de l’information et de la communication (TIC) est une compétence professionnelle à acquérir par les étudiants en enseignement. Cependant, son acquisition est problématique à plusieurs niveaux. Afin d’évaluer et mieux comprendre la compétence, cette thèse présente trois objectifs : 1) décrire le degré de maitrise des TIC et leurs usages dans les salles de classe 2) identifier les facteurs qui influencent l’intégration des TIC en fonction de la compétence professionnelle, et finalement 3) décrire le niveau d’atteinte des composantes de la compétence. Pour atteindre les objectifs de l’étude, une méthodologie mixte fut employée. Ce sont 2065 futurs enseignants du Québec provenant de neuf universités québécoises qui ont complété le questionnaire en plus de 34 participants à des groupes de discussion (n = 5). Cette thèse rédigée sous forme d’articles, répondra à chacun des objectifs visés. Dans le but de mieux comprendre l’utilisation actuelle des TIC par les futurs maitres, le premier article fournira un aperçu de la maitrise d’outils technologiques susceptibles d’être utilisés lors des stages. Le deuxième article visera à identifier les variables externes ainsi que les différentes composantes de la compétence qui ont une influence sur l’intégration des TIC lors des stages. Dans le troisième article, afin de comprendre où se situent les forces et les faiblesses des futurs maitres quant à la compétence professionnelle à intégrer les TIC, une description du niveau d’atteinte de chacune des composantes sera réalisée afin d’en dégager une appréciation globale. Les principaux résultats montrent que pour la moitié des répondants, seuls cinq outils sur 12 sont intégrés en stage et ce sont principalement les outils peu complexes qui sont bien maitrisés. Le logiciel de présentation Power Point, est le plus fréquemment utilisé. Les données considérées dans le premier article suggèrent aussi l’importance d’augmenter, de façon générale, la maitrise technique des futurs enseignants. Les résultats du second article ont permis de constater que la « prévision d’activités faisant appel aux TIC » est une variable prédictive majeure pour l’intégration des TIC. L’analyse des résultats suggèrent le besoin d’enseigner aux futurs maitres comment développer le réflexe d’inclure les TIC dans leurs plans de leçons. De plus, l’appropriation de la sixième composante de la compétence joue un rôle important sur la probabilité d’intégrer les TIC. Les résultats du troisième article indiquent que les composantes 2, 4, 5 et 6 de la compétence sont partiellement maitrisées. La mieux maitrisée est la première composante. Finalement, la troisième composante de la compétence s’est avérée être encore non atteinte et reste à être développer par les futurs enseignants. Cette thèse nous apprend que des efforts considérables restent encore à accomplir quant à la maitrise de la compétence professionnelle à intégrer les TIC. Ces efforts doivent être accomplis à la fois par les futurs enseignants ainsi que par les universités au niveau de la structure des cours de TIC en formation initiale des maitres.

Revisiting optimization algorithms for maximum likelihood estimation

Parmi les méthodes d’estimation de paramètres de loi de probabilité en statistique, le maximum de vraisemblance est une des techniques les plus populaires, comme, sous des conditions l´egères, les estimateurs ainsi produits sont consistants et asymptotiquement efficaces. Les problèmes de maximum de vraisemblance peuvent être traités comme des problèmes de programmation non linéaires, éventuellement non convexe, pour lesquels deux grandes classes de méthodes de résolution sont les techniques de région de confiance et les méthodes de recherche linéaire. En outre, il est possible d’exploiter la structure de ces problèmes pour tenter d’accélerer la convergence de ces méthodes, sous certaines hypothèses. Dans ce travail, nous revisitons certaines approches classiques ou récemment d´eveloppées en optimisation non linéaire, dans le contexte particulier de l’estimation de maximum de vraisemblance. Nous développons également de nouveaux algorithmes pour résoudre ce problème, reconsidérant différentes techniques d’approximation de hessiens, et proposons de nouvelles méthodes de calcul de pas, en particulier dans le cadre des algorithmes de recherche linéaire. Il s’agit notamment d’algorithmes nous permettant de changer d’approximation de hessien et d’adapter la longueur du pas dans une direction de recherche fixée. Finalement, nous évaluons l’efficacité numérique des méthodes proposées dans le cadre de l’estimation de modèles de choix discrets, en particulier les modèles logit mélangés.

À l’intérieur des murs : comprendre la violence en milieu carcéral à partir du point de vue d’hommes incarcérés à l’Unité spéciale de détention

L’étude qui nous concerne vise à mieux comprendre la violence en milieu carcéral. C’est à l’aide d’entrevues menées auprès de treize hommes incarcérés à l’Unité spéciale de détention, une unité canadienne spécifiquement conçue pour loger des personnes qui ont fait usage de violence intra murale ou sont soupçonné de l’avoir fait, que nous avons tenté d’atteindre l’objectif principal de ce projet. Plus spécifiquement, le point de vue des participants a été recueilli sur l’incarcération, sur les moyens utilisés afin de s’accoutumer aux défis de l’enfermement ainsi que la manière dont les individus justifient l’usage de violence dans ce contexte. Les résultats de nos analyses suggèrent que le milieu carcéral est un monde hostile et imprévisible où les individus se perçoivent constamment vulnérables à de multiples formes d’agression. Placés en hyper vigilance et orientés vers la survie, les détenus font usage de diverses stratégies d’adaptation afin de répondre aux situations difficiles qu’ils rencontrent en contexte de perte de liberté. La violence représente donc un des moyens dont disposent les individus pour survivre à l’intérieur des murs. Les diverses formes d’adaptation violente rencontrées en milieu carcéral peuvent ainsi informer sur les enjeux de survie présents dans un milieu et donc, du risque de violence ou de victimisation dans ce milieu, que cette violence soit interpersonnelle, collective, auto dirigée, axée sur la fuite ou contre les biens. Puisque l’usage de violence par une personne engendre une possibilité accrue de choisir la violence pour une autre, et ce, avec les conséquences qui s’en suivent pour les détenus et les membres du personnel, nous avons tenté d’identifier et de comprendre les diverses logiques d’action qui motivent le choix d’avoir recours à la violence dans les institutions carcérales. Or, il appert que certaines caractéristiques des individus tendent à faire augmenter le risque pour une personne d’avoir recours à la violence carcérale. De même, il semble que certaines institutions sont davantage propices à l’usage de violence que d’autres. De surcroît, des éléments appartenant aux individus et au milieu en interrelation semblent favoriser la possibilité qu’un condamné fasse usage de violence intra murale. Ainsi, le recours à la violence est davantage probable si elle est légitimée par les individus et le milieu, si le niveau d’adhésion aux valeurs des sous-cultures délinquantes des individus est élevé et si la philosophie du milieu en favorise le maintien, si des groupes influents en quête de contrôle et de pouvoir sont présents dans le milieu et qu’un individu désire y être affilié, s’il y a présence de marchés illicites comme réponse à la privation et qu’un individu y participe ou encore, si le milieu et l’individu sont pris dans l’engrenage d’un climat de survie. Par conséquent, une réflexion concernant le sentiment de sécurité préoccupant les reclus, sentiment qui est un besoin fondamental chez tous les êtres humains, un retour sur les divers modèles théoriques en fonction des données que nous avons obtenues ainsi qu’une réflexion portant sur les moyens dont disposent les individus et le milieu afin de diminuer les possibilités que la violence soit utilisée, ont été amorcées en conclusion.