Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Modélisation hydro-sédimentaire de la rade de Toulon : application à l’étude de la dispersion de radionucléides

L’objectif de ce travail est mettre en place un modèle hydro-sédimentaire de dispersion des radionucléides, comme outil d’aide à la décision suite à une hypothétique contamination marine accidentelle. Appliqué à la Rade de Toulon, il utilise le modèle MARS-3D pour l’étude hydrodynamique et le module MIXSED pour la dynamique des différentes classes de sédiments. Les cas d’application présentés concernent le césium et le plutonium, qui ont des affinités très différentes avec les sédiments fins. Les simulations de rejet, effectuées en fond de baie, montrent une variabilité saisonnière marquée, due aux conditions météorologiques typiques, mais aussi aux conditions de débit et de charge sédimentaire associée du fleuve Las, qui se jette dans la Rade. Ainsi, les simulations par forts vents, qui favorisent la circulation et les échanges de masses d’eau, présentent une diminution rapide des activités dissoutes. Par ailleurs, le Vent d’Est hivernal, qui engendre d’importantes crues du Las et un apport de sédiments à la Rade, favorise le piégeage des radionucléides dans les sédiments de fond, où les deuxtiers de la contamination initiale sont piégés après une simulation de deux mois.

Projet EMACOP : caractérisation des vagues et du potentiel houlomoteur des sites d’Esquibien et de Saint-Guénolé par simulation numérique

The French research EMACOP project aims at characterising wave power nearby onshore structures. This paper presents the application of the non-hydrostatic wave-flow model SWASH to wave propagation and transformation on two hot spots in Brittany. The numerical simulations were performed for dominant wave conditions and three tide levels. The results of wave simulations allow us to characterise wave energy resources and define Wave Energy Converters (WEC)'s promising positions on both sites.

Influence des conditions hydrométéorologiques sur les flux et bilans sédimentaires en estuaire de Seine

La dynamique sédimentaire à l’embouchure de l’estuaire de Seine est principalement contrôlée par les forçages hydrométéorologiques (débit, vent, vagues, marée) et les fortes pressions anthropiques (endiguement, dragage, clapage). La compréhension et la quantification de la dynamique des flux sédimentaires en suspension (sable/vase) est un enjeu majeur, autant d’un point vu écologique (ex. turbidité, envasement) que financier (ex. gestion des chenaux de navigation). La mise en place de réseaux de mesure in situ permet une meilleure compréhension de la dynamique sédimentaire de l’estuaire, mais leur caractère local rend difficile toute estimation des flux et bilans sédimentaires. Pour répondre à ces questions, cette étude s’appuie sur la modélisation numérique, validée par de nombreuses séries de mesures in situ, afin de quantifier les flux et bilans sédimentaires à différentes échelles caractéristiques de temps et d'espace. Les concentrations simulées dans la zone d'extension du bouchon vaseux sont du même ordre que les observations et leur dynamique associée aux différentes phases et cycles de la marée, ainsi qu'au cycle hydrologique, est satisfaisante. L’analyse des flux résiduels et bilans sédimentaires aux échelles annuelle et trimestrielle a permis d’identifier un schéma de circulation à l’embouchure de l’estuaire et de quantifier l’importance du forçage hydrologique (crue/étiage) sur les échanges sédimentaires. Enfin, ce travail se poursuivra par l’étude de ces flux et bilans pour différents scénarios hydrométéorologiques contrastés.

Les valves sans suture dans le traitement de la sténose aortique sévère

Rapport présenté en vue de l’obtention du grade de M.Sc.A génie biomédical option génie clinique

Collaborative Networked Organizations as System of Systems: A Model-Based Engineering Approach

Part 6: Engineering and Implementation of Collaborative Networks

Acquisition de tables d’opération pour le bloc opératoire

Rapport de projet de maîtrise présenté en vue de l'obtention du grade de M.Sc.A. en génie biomédical, option génie clinique.

Guide d'acquisition de microscopes opératoires en ORL, chirurgie plastique et chirurgie reconstructive

Rapport de maitrise présenté en vue de l’obtention du grade M. Sc. A. en génie biomédical option Génie clinique

Harmonisation de l'inventaire et de l'Archivage des ECG au CIUSS du Nord de l'île de Montréal

Rapport de stage présenté à la Faculté des études supérieures en vue de l’obtention du grade de maîtrise en génie biomédical Option Clinique

Acquisition de tables d’opération pour le bloc opératoire

Rapport de projet de maîtrise présenté en vue de l'obtention du grade de M.Sc.A. en génie biomédical, option génie clinique.

Guide d'acquisition de microscopes opératoires en ORL, chirurgie plastique et chirurgie reconstructive

Rapport de maitrise présenté en vue de l’obtention du grade M. Sc. A. en génie biomédical option Génie clinique

Harmonisation de l'inventaire et de l'Archivage des ECG au CIUSS du Nord de l'île de Montréal

Rapport de stage présenté à la Faculté des études supérieures en vue de l’obtention du grade de maîtrise en génie biomédical Option Clinique

Développement d’un dispositif d’extrusion tridimensionnelle de sucre vitrifié pour la production de réseaux fluidiques complexes par moulage rapide

L’objectif du vaste projet de recherche dans lequel s’inscrit ce mémoire est de guérir le diabète de type 1 en fabriquant un pancréas bioartificiel vascularisé contenant des cellules bêta (i.e. les cellules sécrétant l’insuline). Ce dispositif permettrait de rendre aux personnes atteintes par le diabète de type 1 la capacité de sécréter par elles-mêmes de l’insuline et de réguler leur glycémie. La vascularisation est actuellement un enjeu de taille dans le domaine du génie tissulaire. La plupart des tissus incorporant des cellules générées par le génie tissulaire sont actuellement fortement limités en épaisseur faute d’être vascularisés adéquatement. Pour les tissus dont l’épaisseur dépasse 400 μm, la vascularisation est nécessaire à la survie de la plupart des cellules qui autrement souffriraient d’hypoxie, les empêchant ainsi d’accomplir leurs fonctions [1]. Ce mémoire présente le développement et la mise en service d’un dispositif d’extrusion tridimensionnelle de sucre vitrifié pour la vascularisation d’un pancréas bioartificiel. Ce dispositif a été développé au laboratoire de recherche sur les procédés d’impression 3D ainsi qu’au bureau de design du département de génie mécanique de l’Université Laval. Grâce à cette technique d’impression 3D novatrice et à la caractérisation du procédé, il est maintenant possible de produire rapidement et avec précision des structures temporaires en sucre vitrifié pour la fabrication de réseaux vasculaires tridimensionnels complexes. Les structures temporaires peuvent, après leur production, être utilisées pour réaliser le moulage rapide de constructions vascularisées avec des matériaux tels que du polydiméthylsiloxane (PDMS) ou des hydrogels chargés de cellules biologiques. De par la nature du matériel utilisé, les moules temporaires peuvent être facilement et rapidement dissous dans une solution aqueuse et laisser place à un réseau de canaux creux sans créer de rejets toxiques, ce qui représente un avantage majeur dans un contexte de bio-ingénierie.

Approche basée sur des patrons pour concevoir des logiciels d’enseignement adaptés aux technologies du Web

Les applications Web en général ont connu d’importantes évolutions technologiques au cours des deux dernières décennies et avec elles les habitudes et les attentes de la génération de femmes et d’hommes dite numérique. Paradoxalement à ces bouleversements technologiques et comportementaux, les logiciels d’enseignement et d’apprentissage (LEA) n’ont pas tout à fait suivi la même courbe d’évolution technologique. En effet, leur modèle de conception est demeuré si statique que leur utilité pédagogique est remise en cause par les experts en pédagogie selon lesquels les LEA actuels ne tiennent pas suffisamment compte des aspects théoriques pédagogiques. Mais comment améliorer la prise en compte de ces aspects dans le processus de conception des LEA? Plusieurs approches permettent de concevoir des LEA robustes. Cependant, un intérêt particulier existe pour l’utilisation du concept patron dans ce processus de conception tant par les experts en pédagogie que par les experts en génie logiciel. En effet, ce concept permet de capitaliser l’expérience des experts et permet aussi de simplifier de belle manière le processus de conception et de ce fait son coût. Une comparaison des travaux utilisant des patrons pour concevoir des LEA a montré qu’il n’existe pas de cadre de synergie entre les différents acteurs de l’équipe de conception, les experts en pédagogie d’un côté et les experts en génie logiciel de l’autre. De plus, les cycles de vie proposés dans ces travaux ne sont pas complets, ni rigoureusement décrits afin de permettre de développer des LEA efficients. Enfin, les travaux comparés ne montrent pas comment faire coexister les exigences pédagogiques avec les exigences logicielles. Le concept patron peut-il aider à construire des LEA robustes satisfaisant aux exigences pédagogiques ? Comme solution, cette thèse propose une approche de conception basée sur des patrons pour concevoir des LEA adaptés aux technologies du Web. Plus spécifiquement, l’approche méthodique proposée montre quelles doivent être les étapes séquentielles à prévoir pour concevoir un LEA répondant aux exigences pédagogiques. De plus, un répertoire est présenté et contient 110 patrons recensés et organisés en paquetages. Ces patrons peuvent être facilement retrouvés à l’aide du guide de recherche décrit pour être utilisés dans le processus de conception. L’approche de conception a été validée avec deux exemples d’application, permettant de conclure d’une part que l’approche de conception des LEA est réaliste et d’autre part que les patrons sont bien valides et fonctionnels. L’approche de conception de LEA proposée est originale et se démarque de celles que l’on trouve dans la littérature car elle est entièrement basée sur le concept patron. L’approche permet également de prendre en compte les exigences pédagogiques. Elle est générique car indépendante de toute plateforme logicielle ou matérielle. Toutefois, le processus de traduction des exigences pédagogiques n’est pas encore très intuitif, ni très linéaire. D’autres travaux doivent être réalisés pour compléter les résultats obtenus afin de pouvoir traduire en artéfacts exploitables par les ingénieurs logiciels les exigences pédagogiques les plus complexes et les plus abstraites. Pour la suite de cette thèse, une instanciation des patrons proposés serait intéressante ainsi que la définition d’un métamodèle basé sur des patrons qui pourrait permettre la spécification d’un langage de modélisation typique des LEA. L’ajout de patrons permettant d’ajouter une couche sémantique au niveau des LEA pourrait être envisagée. Cette couche sémantique permettra non seulement d’adapter les scénarios pédagogiques, mais aussi d’automatiser le processus d’adaptation au besoin d’un apprenant en particulier. Il peut être aussi envisagé la transformation des patrons proposés en ontologies pouvant permettre de faciliter l’évaluation des connaissances de l’apprenant, de lui communiquer des informations structurées et utiles pour son apprentissage et correspondant à son besoin d’apprentissage.