Cheminformatic studies of molecular properties and their influence on bioactivity in the context of drug discovery

Molecular shape has long been known to be an important property for the process of molecular recognition. Previous studies postulated the existence of a drug-like shape space that could be used to artificially bias the composition of screening libraries, with the aim to increase the chance of success in Hit Identification. In this work, it was analysed to which extend this assumption holds true. Normalized Principal Moments of Inertia Ratios (NPRs) have been used to describe the molecular shape of small molecules. It was investigated, whether active molecules of diverse targets are located in preferred subspaces of the NPR shape space. Results illustrated a significantly stronger clustering than could be expected by chance, with parts of the space unlikely to be occupied by active compounds. Furthermore, a strong enrichment of elongated, rather flat shapes could be observed, while globular compounds were highly underrepresented. This was confirmed for a wide range of small molecule datasets from different origins. Active compounds exhibited a high overlap in their shape distributions across different targets, making a purely shape­ based discrimination very difficult. An additional perspective was provided by comparing the shapes of protein binding pockets with those of their respective ligands. Although more globular than their ligands, it was observed that binding sites shapes exhibited a similarly skewed distribution in shape space: spherical shapes were highly underrepresented. This was different for unoccupied binding pockets of smaller size. These were on the contrary identified to possess a more globular shape. The relation between shape complementarity and exhibited bioactivity was analysed; a moderate correlation between bioactivity and parameters including pocket coverage, distance in shape space, and others could be identified, which reflects the importance of shape complementarity. However, this also suggests that other aspects are of relevance for molecular recognition. A subsequent analysis assessed if and how shape and volume information retrieved from pocket or respective reference ligands could be used as a pre-filter in a virtual screening approach. ln Lead Optimization compounds need to get optimized with respect to a variety of pararneters. Here, the availability of past success stories is very valuable, as they can guide medicinal chemists during their analogue synthesis plans. However, although of tremendous interest for the public domain, so far only large corporations had the ability to mine historical knowledge in their proprietary databases. With the aim to provide such information, the SwissBioisostere database was developed and released during this thesis. This database contains information on 21,293,355 performed substructural exchanges, corresponding to 5,586,462 unique replacements that have been measured in 35,039 assays against 1,948 molecular targets representing 30 target classes, and on their impact on bioactivity . A user-friendly interface was developed that provides facile access to these data and is accessible at http//www.swissbioisostere.ch. The ChEMBL database was used as primary data source of bioactivity information. Matched molecular pairs have been identified in the extracted and cleaned data. Success-based scores were developed and integrated into the database to allow re-ranking of proposed replacements by their past outcomes. It was analysed to which degree these scores correlate with chemical similarity of the underlying fragments. An unexpectedly weak relationship was detected and further investigated. Use cases of this database were envisioned, and functionalities implemented accordingly: replacement outcomes are aggregatable at the assay level, and it was shawn that an aggregation at the target or target class level could also be performed, but should be accompanied by a careful case-by-case assessment. It was furthermore observed that replacement success depends on the activity of the starting compound A within a matched molecular pair A-B. With increasing potency the probability to lose bioactivity through any substructural exchange was significantly higher than in low affine binders. A potential existence of a publication bias could be refuted. Furthermore, often performed medicinal chemistry strategies for structure-activity-relationship exploration were analysed using the acquired data. Finally, data originating from pharmaceutical companies were compared with those reported in the literature. It could be seen that industrial medicinal chemistry can access replacement information not available in the public domain. In contrast, a large amount of often-performed replacements within companies could also be identified in literature data. Preferences for particular replacements differed between these two sources. The value of combining different endpoints in an evaluation of molecular replacements was investigated. The performed studies highlighted furthermore that there seem to exist no universal substructural replacement that always retains bioactivity irrespective of the biological environment. A generalization of bioisosteric replacements seems therefore not possible. - La forme tridimensionnelle des molécules a depuis longtemps été reconnue comme une propriété importante pour le processus de reconnaissance moléculaire. Des études antérieures ont postulé que les médicaments occupent préférentiellement un sous-ensemble de l'espace des formes des molécules. Ce sous-ensemble pourrait être utilisé pour biaiser la composition de chimiothèques à cribler, dans le but d'augmenter les chances d'identifier des Hits. L'analyse et la validation de cette assertion fait l'objet de cette première partie. Les Ratios de Moments Principaux d'Inertie Normalisés (RPN) ont été utilisés pour décrire la forme tridimensionnelle de petites molécules de type médicament. Il a été étudié si les molécules actives sur des cibles différentes se co-localisaient dans des sous-espaces privilégiés de l'espace des formes. Les résultats montrent des regroupements de molécules incompatibles avec une répartition aléatoire, avec certaines parties de l'espace peu susceptibles d'être occupées par des composés actifs. Par ailleurs, un fort enrichissement en formes allongées et plutôt plates a pu être observé, tandis que les composés globulaires étaient fortement sous-représentés. Cela a été confirmé pour un large ensemble de compilations de molécules d'origines différentes. Les distributions de forme des molécules actives sur des cibles différentes se recoupent largement, rendant une discrimination fondée uniquement sur la forme très difficile. Une perspective supplémentaire a été ajoutée par la comparaison des formes des ligands avec celles de leurs sites de liaison (poches) dans leurs protéines respectives. Bien que plus globulaires que leurs ligands, il a été observé que les formes des poches présentent une distribution dans l'espace des formes avec le même type d'asymétrie que celle observée pour les ligands: les formes sphériques sont fortement sous­ représentées. Un résultat différent a été obtenu pour les poches de plus petite taille et cristallisées sans ligand: elles possédaient une forme plus globulaire. La relation entre complémentarité de forme et bioactivité a été également analysée; une corrélation modérée entre bioactivité et des paramètres tels que remplissage de poche, distance dans l'espace des formes, ainsi que d'autres, a pu être identifiée. Ceci reflète l'importance de la complémentarité des formes, mais aussi l'implication d'autres facteurs. Une analyse ultérieure a évalué si et comment la forme et le volume d'une poche ou de ses ligands de référence pouvaient être utilisés comme un pré-filtre dans une approche de criblage virtuel. Durant l'optimisation d'un Lead, de nombreux paramètres doivent être optimisés simultanément. Dans ce contexte, la disponibilité d'exemples d'optimisations réussies est précieuse, car ils peuvent orienter les chimistes médicinaux dans leurs plans de synthèse par analogie. Cependant, bien que d'un extrême intérêt pour les chercheurs dans le domaine public, seules les grandes sociétés pharmaceutiques avaient jusqu'à présent la capacité d'exploiter de telles connaissances au sein de leurs bases de données internes. Dans le but de remédier à cette limitation, la base de données SwissBioisostere a été élaborée et publiée dans le domaine public au cours de cette thèse. Cette base de données contient des informations sur 21 293 355 échanges sous-structuraux observés, correspondant à 5 586 462 remplacements uniques mesurés dans 35 039 tests contre 1948 cibles représentant 30 familles, ainsi que sur leur impact sur la bioactivité. Une interface a été développée pour permettre un accès facile à ces données, accessible à http:/ /www.swissbioisostere.ch. La base de données ChEMBL a été utilisée comme source de données de bioactivité. Une version modifiée de l'algorithme de Hussain et Rea a été implémentée pour identifier les Matched Molecular Pairs (MMP) dans les données préparées au préalable. Des scores de succès ont été développés et intégrés dans la base de données pour permettre un reclassement des remplacements proposés selon leurs résultats précédemment observés. La corrélation entre ces scores et la similarité chimique des fragments correspondants a été étudiée. Une corrélation plus faible qu'attendue a été détectée et analysée. Différents cas d'utilisation de cette base de données ont été envisagés, et les fonctionnalités correspondantes implémentées: l'agrégation des résultats de remplacement est effectuée au niveau de chaque test, et il a été montré qu'elle pourrait également être effectuée au niveau de la cible ou de la classe de cible, sous réserve d'une analyse au cas par cas. Il a en outre été constaté que le succès d'un remplacement dépend de l'activité du composé A au sein d'une paire A-B. Il a été montré que la probabilité de perdre la bioactivité à la suite d'un remplacement moléculaire quelconque est plus importante au sein des molécules les plus actives que chez les molécules de plus faible activité. L'existence potentielle d'un biais lié au processus de publication par articles a pu être réfutée. En outre, les stratégies fréquentes de chimie médicinale pour l'exploration des relations structure-activité ont été analysées à l'aide des données acquises. Enfin, les données provenant des compagnies pharmaceutiques ont été comparées à celles reportées dans la littérature. Il a pu être constaté que les chimistes médicinaux dans l'industrie peuvent accéder à des remplacements qui ne sont pas disponibles dans le domaine public. Par contre, un grand nombre de remplacements fréquemment observés dans les données de l'industrie ont également pu être identifiés dans les données de la littérature. Les préférences pour certains remplacements particuliers diffèrent entre ces deux sources. L'intérêt d'évaluer les remplacements moléculaires simultanément selon plusieurs paramètres (bioactivité et stabilité métabolique par ex.) a aussi été étudié. Les études réalisées ont souligné qu'il semble n'exister aucun remplacement sous-structural universel qui conserve toujours la bioactivité quel que soit le contexte biologique. Une généralisation des remplacements bioisostériques ne semble donc pas possible.

Momentum distribution in nuclear matter and finite nuclei

A simple method is presented to evaluate the effects of short-range correlations on the momentum distribution of nucleons in nuclear matter within the framework of the Greens function approach. The method provides a very efficient representation of the single-particle Greens function for a correlated system. The reliability of this method is established by comparing its results to those obtained in more elaborate calculations. The sensitivity of the momentum distribution on the nucleon-nucleon interaction and the nuclear density is studied. The momentum distributions of nucleons in finite nuclei are derived from those in nuclear matter using a local-density approximation. These results are compared to those obtained directly for light nuclei like 16O.

Effects of erosion and deposition on particle size distribution of deposited farmland soils on the chinese loess plateau

Particle size distribution (PSD) in the soil profile is strongly related to erosion, deposition, and physical and chemical processes. Water cycling and plant growth are also affected by PSD. Material sedimented upstream of the dam constructions formed large areas of deposited farmland (DF) soils on the Chinese Loess Plateau (CLP), which has been the site of the most severe soil erosion in the world. Two DFs without tillage on the CLP were chosen to study the combined effect of erosion and check dams on PSD. Eighty-eight layers (each 10 cm thick) of filled deposited farmland (FDF) soils and 22 layers of silting deposited farmland (SDF) soils of each studied soil profile were collected and 932 soil samples were investigated using laser granulometry. The particle sizes were stratified in both DFs based on soil properties and erosion resistance. The obtained results of clay and silt fractions showed similar horizontal distribution, indicating parallel characteristics of erosion and deposition processes. Fine sand represented the largest fraction, suggesting the preferential detachment of this fraction. The most erodible range of particle sizes was 0.25-0.5 mm, followed by 0.2-0.25 mm in the studied soil profiles. The correlation between particle size and soil water contents tended to increase with increasing water contents in FDF. Due to the abundant shallow groundwater, the relationship between particle size and soil water content in SDF was lost. Further studies on PSD in the DF area are needed to enhance the conservation management of soil and water resources in this region.

Three essays in financial economics: asset pricing, optimal portfolio selection and financial integration

Executive Summary The unifying theme of this thesis is the pursuit of a satisfactory ways to quantify the riskureward trade-off in financial economics. First in the context of a general asset pricing model, then across models and finally across country borders. The guiding principle in that pursuit was to seek innovative solutions by combining ideas from different fields in economics and broad scientific research. For example, in the first part of this thesis we sought a fruitful application of strong existence results in utility theory to topics in asset pricing. In the second part we implement an idea from the field of fuzzy set theory to the optimal portfolio selection problem, while the third part of this thesis is to the best of our knowledge, the first empirical application of some general results in asset pricing in incomplete markets to the important topic of measurement of financial integration. While the first two parts of this thesis effectively combine well-known ways to quantify the risk-reward trade-offs the third one can be viewed as an empirical verification of the usefulness of the so-called "good deal bounds" theory in designing risk-sensitive pricing bounds. Chapter 1 develops a discrete-time asset pricing model, based on a novel ordinally equivalent representation of recursive utility. To the best of our knowledge, we are the first to use a member of a novel class of recursive utility generators to construct a representative agent model to address some long-lasting issues in asset pricing. Applying strong representation results allows us to show that the model features countercyclical risk premia, for both consumption and financial risk, together with low and procyclical risk free rate. As the recursive utility used nests as a special case the well-known time-state separable utility, all results nest the corresponding ones from the standard model and thus shed light on its well-known shortcomings. The empirical investigation to support these theoretical results, however, showed that as long as one resorts to econometric methods based on approximating conditional moments with unconditional ones, it is not possible to distinguish the model we propose from the standard one. Chapter 2 is a join work with Sergei Sontchik. There we provide theoretical and empirical motivation for aggregation of performance measures. The main idea is that as it makes sense to apply several performance measures ex-post, it also makes sense to base optimal portfolio selection on ex-ante maximization of as many possible performance measures as desired. We thus offer a concrete algorithm for optimal portfolio selection via ex-ante optimization over different horizons of several risk-return trade-offs simultaneously. An empirical application of that algorithm, using seven popular performance measures, suggests that realized returns feature better distributional characteristics relative to those of realized returns from portfolio strategies optimal with respect to single performance measures. When comparing the distributions of realized returns we used two partial risk-reward orderings first and second order stochastic dominance. We first used the Kolmogorov Smirnov test to determine if the two distributions are indeed different, which combined with a visual inspection allowed us to demonstrate that the way we propose to aggregate performance measures leads to portfolio realized returns that first order stochastically dominate the ones that result from optimization only with respect to, for example, Treynor ratio and Jensen's alpha. We checked for second order stochastic dominance via point wise comparison of the so-called absolute Lorenz curve, or the sequence of expected shortfalls for a range of quantiles. As soon as the plot of the absolute Lorenz curve for the aggregated performance measures was above the one corresponding to each individual measure, we were tempted to conclude that the algorithm we propose leads to portfolio returns distribution that second order stochastically dominates virtually all performance measures considered. Chapter 3 proposes a measure of financial integration, based on recent advances in asset pricing in incomplete markets. Given a base market (a set of traded assets) and an index of another market, we propose to measure financial integration through time by the size of the spread between the pricing bounds of the market index, relative to the base market. The bigger the spread around country index A, viewed from market B, the less integrated markets A and B are. We investigate the presence of structural breaks in the size of the spread for EMU member country indices before and after the introduction of the Euro. We find evidence that both the level and the volatility of our financial integration measure increased after the introduction of the Euro. That counterintuitive result suggests the presence of an inherent weakness in the attempt to measure financial integration independently of economic fundamentals. Nevertheless, the results about the bounds on the risk free rate appear plausible from the view point of existing economic theory about the impact of integration on interest rates.

Building predictive models of soil particle-size distribution

Is it possible to build predictive models (PMs) of soil particle-size distribution (psd) in a region with complex geology and a young and unstable land-surface? The main objective of this study was to answer this question. A set of 339 soil samples from a small slope catchment in Southern Brazil was used to build PMs of psd in the surface soil layer. Multiple linear regression models were constructed using terrain attributes (elevation, slope, catchment area, convergence index, and topographic wetness index). The PMs explained more than half of the data variance. This performance is similar to (or even better than) that of the conventional soil mapping approach. For some size fractions, the PM performance can reach 70 %. Largest uncertainties were observed in geologically more complex areas. Therefore, significant improvements in the predictions can only be achieved if accurate geological data is made available. Meanwhile, PMs built on terrain attributes are efficient in predicting the particle-size distribution (psd) of soils in regions of complex geology.

Physiological traits affecting the distribution and wintering strategy of the bat Tadarida teniotis

The ability to enter torpor at low ambient temperature, which enables insectivorous bats to survive seasonal food shortage, is often seen as a prerequisite for colonizing cold environments. Free-tailed bats (Molossidae) show a distribution with a maximum latitudinal extension that appears to be intermediate between truly tropical and temperate-zone bat families. We therefore tested the hypothesis that Tadarida teniotis, the molossid species reaching the highest latitude worldwide (46 degrees N), lacks the extreme physiological adaptations to cold that enable other sympatric bats to enter further into the temperate zone. We studied the metabolism of individuals subjected to various ambient temperatures in the laboratory by respirometry, and we monitored the body temperature of free-ranging individuals in winter and early spring in the Swiss Alps using temperature-sensitive radio-tags. For comparison, metabolic data were obtained from Nyctalus noctula, a typically hibernating vespertilionid bat of similar body size and convergent foraging tactics. The metabolic data support the hypothesis that T. teniotis cannot experience such low ambient temperatures as sympatric temperate-zone vespertilionid bats without incurring much higher energetic costs for thermogenesis. The minimum rate of metabolism in torpor was obtained at 7.5 degrees-10 degrees C in T. teniotis, as compared to 2.5 degrees-5 degrees C in N. noctula. Field data showed that T. teniotis behaves as a classic thermo-conforming hibernator in the Alps, with torpor bouts lasting up to 8 d. This contradicts the widely accepted opinion that Molossidae are nonhibernating bars. However, average body temperature (10 degrees-13 degrees C) and mean arousal frequency (3.4 d in one bat in January) appear to be markedly higher than in other temperate-zone bat species. At the northern border of its range T. teniotis selects relatively warm roosts (crevices in tall, south-exposed limestone cliffs) in winter where temperatures oscillate around 10 degrees C. By this means, T. teniotis apparently avoids the risk of prolonged exposure to energetically critical ambient temperatures in torpor (<6.5 degrees-7.5 degrees C) during cold spells. Possibly shared by other Molossidae, the physiological pattern observed in T. teniotis may clearly be linked to the intermediate latitudinal extension of this bat family.

Improving telecommunication security level by integrating quantum key distribution in communication protocols

Résumé La cryptographie classique est basée sur des concepts mathématiques dont la sécurité dépend de la complexité du calcul de l'inverse des fonctions. Ce type de chiffrement est à la merci de la puissance de calcul des ordinateurs ainsi que la découverte d'algorithme permettant le calcul des inverses de certaines fonctions mathématiques en un temps «raisonnable ». L'utilisation d'un procédé dont la sécurité est scientifiquement prouvée s'avère donc indispensable surtout les échanges critiques (systèmes bancaires, gouvernements,...). La cryptographie quantique répond à ce besoin. En effet, sa sécurité est basée sur des lois de la physique quantique lui assurant un fonctionnement inconditionnellement sécurisé. Toutefois, l'application et l'intégration de la cryptographie quantique sont un souci pour les développeurs de ce type de solution. Cette thèse justifie la nécessité de l'utilisation de la cryptographie quantique. Elle montre que le coût engendré par le déploiement de cette solution est justifié. Elle propose un mécanisme simple et réalisable d'intégration de la cryptographie quantique dans des protocoles de communication largement utilisés comme les protocoles PPP, IPSec et le protocole 802.1li. Des scénarios d'application illustrent la faisabilité de ces solutions. Une méthodologie d'évaluation, selon les critères communs, des solutions basées sur la cryptographie quantique est également proposée dans ce document. Abstract Classical cryptography is based on mathematical functions. The robustness of a cryptosystem essentially depends on the difficulty of computing the inverse of its one-way function. There is no mathematical proof that establishes whether it is impossible to find the inverse of a given one-way function. Therefore, it is mandatory to use a cryptosystem whose security is scientifically proven (especially for banking, governments, etc.). On the other hand, the security of quantum cryptography can be formally demonstrated. In fact, its security is based on the laws of physics that assure the unconditional security. How is it possible to use and integrate quantum cryptography into existing solutions? This thesis proposes a method to integrate quantum cryptography into existing communication protocols like PPP, IPSec and the 802.l1i protocol. It sketches out some possible scenarios in order to prove the feasibility and to estimate the cost of such scenarios. Directives and checkpoints are given to help in certifying quantum cryptography solutions according to Common Criteria.

The importance of host spatial distribution for parasite specialization and speciation: a comparative study of bird fleas (Siphonaptera : Ceratophyllidae)

1. The environment of parasites is determined largely by their hosts. Variation in host quality, abundance and spatial distribution affects the balance between selection within hosts and gene flow between hosts, and this should determine the evolution of a parasite's host-range and its propensity to locally adapt and speciate. 2. We investigated the relationship between host spatial distribution and (1) parasite host range, (2) parasite mobility and (3) parasite geographical range, in a comparative study of a major group of avian ectoparasites, the birds fleas belonging to the Ceratophyllidae (Siphonaptera). 3. Flea species parasitizing colonial birds had narrower host ranges than those infesting territorial nesters or birds with an intermediate level of nest aggregation. 4. The potential mobility and geographical ranges of fleas decreased with increasing level of aggregation of their hosts and increased with the fleas' host ranges. 5. Birds with aggregated nest distribution harboured more flea species mainly due to a larger number of specialists than solitarily nesting hosts. 6. These results emphasize the importance of host spatial distribution for the evolution of specialization, and for local adaptation and speciation in Ceratophyllid bird fleas.

Quantification of the least limiting water range in an oxisol using two methodological strategies

The least limiting water range (LLWR) has been used as an indicator of soil physical quality as it represents, in a single parameter, the soil physical properties directly linked to plant growth, with the exception of temperature. The usual procedure for obtaining the LLWR involves determination of the water retention curve (WRC) and the soil resistance to penetration curve (SRC) in soil samples with undisturbed structure in the laboratory. Determination of the WRC and SRC using field measurements (in situ ) is preferable, but requires appropriate instrumentation. The objective of this study was to determine the LLWR from the data collected for determination of WRC and SRC in situ using portable electronic instruments, and to compare those determinations with the ones made in the laboratory. Samples were taken from the 0.0-0.1 m layer of a Latossolo Vermelho distrófico (Oxisol). Two methods were used for quantification of the LLWR: the traditional, with measurements made in soil samples with undisturbed structure; and in situ , with measurements of water content (θ), soil water potential (Ψ), and soil resistance to penetration (SR) through the use of sensors. The in situ measurements of θ, Ψ and SR were taken over a period of four days of soil drying. At the same time, samples with undisturbed structure were collected for determination of bulk density (BD). Due to the limitations of measurement of Ψ by tensiometer, additional determinations of θ were made with a psychrometer (in the laboratory) at the Ψ of -1500 kPa. The results show that it is possible to determine the LLWR by the θ, Ψ and SR measurements using the suggested approach and instrumentation. The quality of fit of the SRC was similar in both strategies. In contrast, the θ and Ψ in situ measurements, associated with those measured with a psychrometer, produced a better WRC description. The estimates of the LLWR were similar in both methodological strategies. The quantification of LLWR in situ can be achieved in 10 % of the time required for the traditional method.

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Relationship Between Edaphic Factors and Vegetation in Savannas of the Brazilian Midwest Region

The Brazilian savanna is a mosaic of phytophysiognomies influenced by edaphic and topographic factors that range from the occurrence of fires to anthropic disturbance. The goal of this study was a comparative analysis between two cerrado areas in southeastern Goiás, relating the floristic composition and structure of the vegetation to soil properties to better understand the physiognomic characteristics of the region. Twenty-five 20 × 20 m plots were used. All plants with circumference at breast height of more than 15 cm were measured. Soil samples collected at a depth of 0-20 cm were subjected to physical and chemical analyses. Canonical correspondence analysis (CCA) was used to detect possible correlations between the soil properties and species abundance and distribution. The density and total basal area were 1,647 ind/ha and 15.57 m2/ha, respectively, in Ouroana. At this site, 107 species were sampled. In Montes Claros de Goiás, the density and total basal area were 781 ind/ha and 17.62 m2/ha, and 120 species were sampled. The soil texture of Ouroana was sandy and significantly different from the medium to clayey texture of Montes Claros. The soils of both areas are dystrophic, however, more fertile in Montes Claros and aluminum-toxic in Ouroana. The species of vegetation were distributed according to soil fertility levels. The CCAs grouped species according to soil properties that defined location and abundance as well as the phytophysiognomies of the studied areas.

A probabilistic approach to niche-based community models for spatial forecasts of assemblage properties and their uncertainties

Aim Conservation strategies are in need of predictions that capture spatial community composition and structure. Currently, the methods used to generate these predictions generally focus on deterministic processes and omit important stochastic processes and other unexplained variation in model outputs. Here we test a novel approach of community models that accounts for this variation and determine how well it reproduces observed properties of alpine butterfly communities. Location The western Swiss Alps. Methods We propose a new approach to process probabilistic predictions derived from stacked species distribution models (S-SDMs) in order to predict and assess the uncertainty in the predictions of community properties. We test the utility of our novel approach against a traditional threshold-based approach. We used mountain butterfly communities spanning a large elevation gradient as a case study and evaluated the ability of our approach to model species richness and phylogenetic diversity of communities. Results S-SDMs reproduced the observed decrease in phylogenetic diversity and species richness with elevation, syndromes of environmental filtering. The prediction accuracy of community properties vary along environmental gradient: variability in predictions of species richness was higher at low elevation, while it was lower for phylogenetic diversity. Our approach allowed mapping the variability in species richness and phylogenetic diversity projections. Main conclusion Using our probabilistic approach to process species distribution models outputs to reconstruct communities furnishes an improved picture of the range of possible assemblage realisations under similar environmental conditions given stochastic processes and help inform manager of the uncertainty in the modelling results

Accuracy of plant assemblage predictions from species distribution models varies along environmental gradients

Aim: Climatic niche modelling of species and community distributions implicitly assumes strong and constant climatic determinism across geographic space. This assumption had however never been tested so far. We tested it by assessing how stacked-species distribution models (S-SDMs) perform for predicting plant species assemblages along elevation. Location: Western Swiss Alps. Methods: Using robust presence-absence data, we first assessed the ability of topo-climatic S-SDMs to predict plant assemblages in a study area encompassing a 2800 m wide elevation gradient. We then assessed the relationships among several evaluation metrics and trait-based tests of community assembly rules. Results: The standard errors of individual SDMs decreased significantly towards higher elevations. Overall, the S-SDM overpredicted far more than they underpredicted richness and could not reproduce the humpback curve along elevation. Overprediction was greater at low and mid-range elevations in absolute values but greater at high elevations when standardised by the actual richness. Looking at species composition, the evaluation metrics accounting for both the presence and absence of species (overall prediction success and kappa) or focusing on correctly predicted absences (specificity) increased with increasing elevation, while the metrics focusing on correctly predicted presences (Jaccard index and sensitivity) decreased. The best overall evaluation - as driven by specificity - occurred at high elevation where species assemblages were shown to be under significant environmental filtering of small plants. In contrast, the decreased overall accuracy in the lowlands was associated with functional patterns representing any type of assembly rule (environmental filtering, limiting similarity or null assembly). Main Conclusions: Our study reveals interesting patterns of change in S-SDM errors with changes in assembly rules along elevation. Yet, significant levels of assemblage prediction errors occurred throughout the gradient, calling for further improvement of SDMs, e.g., by adding key environmental filters that act at fine scales and developing approaches to account for variations in the influence of predictors along environmental gradients.

Niche, distribution and global change : modeling insights into biogeography and conservation biology Olivier Broennimann

RESUME Les évidences montrant que les changements globaux affectent la biodiversité s'accumulent. Les facteurs les plus influant dans ce processus sont les changements et destructions d'habitat, l'expansion des espèces envahissantes et l'impact des changements climatiques. Une évaluation pertinente de la réponse des espèces face à ces changements est essentielle pour proposer des mesures permettant de réduire le déclin actuel de la biodiversité. La modélisation de la répartition d'espèces basée sur la niche (NBM) est l'un des rares outils permettant cette évaluation. Néanmoins, leur application dans le contexte des changements globaux repose sur des hypothèses restrictives et demande une interprétation critique. Ce travail présente une série d'études de cas investiguant les possibilités et limitations de cette approche pour prédire l'impact des changements globaux. Deux études traitant des menaces sur les espèces rares et en danger d'extinction sont présentées. Les caractéristiques éco-géographiques de 118 plantes avec un haut degré de priorité de conservation sont revues. La prévalence des types de rareté sont analysées en relation avec leur risque d'extinction UICN. La revue souligne l'importance de la conservation à l'échelle régionale. Une évaluation de la rareté à échelle globale peut être trompeuse pour certaine espèces car elle ne tient pas en compte des différents degrés de rareté que présente une espèce à différentes échelles spatiales. La deuxième étude test une approche pour améliorer l'échantillonnage d'espèces rares en incluant des phases itératives de modélisation et d'échantillonnage sur le terrain. L'application de l'approche en biologie de la conservation (illustrée ici par le cas du chardon bleu, Eryngium alpinum), permettrait de réduire le temps et les coûts d'échantillonnage. Deux études sur l'impact des changements climatiques sur la faune et la flore africaine sont présentées. La première étude évalue la sensibilité de 227 mammifères africains face aux climatiques d'ici 2050. Elle montre qu'un nombre important d'espèces pourrait être bientôt en danger d'extinction et que les parcs nationaux africains (principalement ceux situé en milieux xériques) pourraient ne pas remplir leur mandat de protection de la biodiversité dans le futur. La seconde étude modélise l'aire de répartition en 2050 de 975 espèces de plantes endémiques du sud de l'Afrique. L'étude propose l'inclusion de méthodes améliorant la prédiction des risques liés aux changements climatiques. Elle propose également une méthode pour estimer a priori la sensibilité d'une espèce aux changements climatiques à partir de ses propriétés écologiques et des caractéristiques de son aire de répartition. Trois études illustrent l'utilisation des modèles dans l'étude des invasions biologiques. Une première étude relate l'expansion de la laitue sáuvage (Lactuca serriola) vers le nord de l'Europe en lien avec les changements du climat depuis 250 ans. La deuxième étude analyse le potentiel d'invasion de la centaurée tachetée (Centaures maculosa), une mauvaise herbe importée en Amérique du nord vers 1890. L'étude apporte la preuve qu'une espèce envahissante peut occuper une niche climatique différente après introduction sur un autre continent. Les modèles basés sur l'aire native prédisent de manière incorrecte l'entier de l'aire envahie mais permettent de prévoir les aires d'introductions potentielles. Une méthode alternative, incluant la calibration du modèle à partir des deux aires où l'espèce est présente, est proposée pour améliorer les prédictions de l'invasion en Amérique du nord. Je présente finalement une revue de la littérature sur la dynamique de la niche écologique dans le temps et l'espace. Elle synthétise les récents développements théoriques concernant le conservatisme de la niche et propose des solutions pour améliorer la pertinence des prédictions d'impact des changements climatiques et des invasions biologiques. SUMMARY Evidences are accumulating that biodiversity is facing the effects of global change. The most influential drivers of change in ecosystems are land-use change, alien species invasions and climate change impacts. Accurate projections of species' responses to these changes are needed to propose mitigation measures to slow down the on-going erosion of biodiversity. Niche-based models (NBM) currently represent one of the only tools for such projections. However, their application in the context of global changes relies on restrictive assumptions, calling for cautious interpretations. In this thesis I aim to assess the effectiveness and shortcomings of niche-based models for the study of global change impacts on biodiversity through the investigation of specific, unsolved limitations and suggestion of new approaches. Two studies investigating threats to rare and endangered plants are presented. I review the ecogeographic characteristic of 118 endangered plants with high conservation priority in Switzerland. The prevalence of rarity types among plant species is analyzed in relation to IUCN extinction risks. The review underlines the importance of regional vs. global conservation and shows that a global assessment of rarity might be misleading for some species because it can fail to account for different degrees of rarity at a variety of spatial scales. The second study tests a modeling framework including iterative steps of modeling and field surveys to improve the sampling of rare species. The approach is illustrated with a rare alpine plant, Eryngium alpinum and shows promise for complementing conservation practices and reducing sampling costs. Two studies illustrate the impacts of climate change on African taxa. The first one assesses the sensitivity of 277 mammals at African scale to climate change by 2050 in terms of species richness and turnover. It shows that a substantial number of species could be critically endangered in the future. National parks situated in xeric ecosystems are not expected to meet their mandate of protecting current species diversity in the future. The second study model the distribution in 2050 of 975 endemic plant species in southern Africa. The study proposes the inclusion of new methodological insights improving the accuracy and ecological realism of predictions of global changes studies. It also investigates the possibility to estimate a priori the sensitivity of a species to climate change from the geographical distribution and ecological proprieties of the species. Three studies illustrate the application of NBM in the study of biological invasions. The first one investigates the Northwards expansion of Lactuca serriola L. in Europe during the last 250 years in relation with climate changes. In the last two decades, the species could not track climate change due to non climatic influences. A second study analyses the potential invasion extent of spotted knapweed, a European weed first introduced into North America in the 1890s. The study provides one of the first empirical evidence that an invasive species can occupy climatically distinct niche spaces following its introduction into a new area. Models fail to predict the current full extent of the invasion, but correctly predict areas of introduction. An alternative approach, involving the calibration of models with pooled data from both ranges, is proposed to improve predictions of the extent of invasion on models based solely on the native range. I finally present a review on the dynamic nature of ecological niches in space and time. It synthesizes the recent theoretical developments to the niche conservatism issues and proposes solutions to improve confidence in NBM predictions of the impacts of climate change and species invasions on species distributions.

The permeability P-glycoprotein: a focus on enantioselectivity and brain distribution.

IMPORTANCE OF THE FIELD: The permeability glycoprotein (P-gp) is an important protein transporter involved in the disposition of many drugs with different chemical structures, but few studies have examined a possible stereoselectivity in its activity. P-gp can have a major impact on the distribution of drugs in selected organs, including the brain. Polymorphisms of the ABCB1 gene, which encodes for P-gp, can influence the kinetics of several drugs. AREAS COVERED IN THIS REVIEW: A search including publications from 1990 up to 2009 was performed on P-gp stereoselectivity and on the impact of ABCB1 polymorphisms on enantiomer brain distribution. WHAT THE READER WILL GAIN: Despite stereoselectivity not being expected because of the large variability of chemical structures of P-gp substrates, structure-activity relationships suggest different P-gp-binding sites for enantiomers. Enantioselectivity in the activity of P-gp has been demonstrated by in vitro studies and in animal models (preferential transport of one enantiomer or different inhibitory potencies towards P-gp activity between enantiomers). There is also in vivo evidence of an enantioselective drug transport at the human blood-brain barrier. TAKE HOME MESSAGE: The significant enantioselective activity of P-gp might be clinically relevant and must be taken into account in future studies.