Application et développement de méthodes analytiques de pointe pour les mélanges de petites molécules par RMN et traitement de signal avancé

Application and development of NMR methods and signal processing for the analysis of small molecule mixtures

• Auteur / Autrice : Elena Piersanti
• Direction : Mylène Campredon, Mehdi Yemloul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Marseille ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires de Marseille (ISM2) - Institut de mathématiques de Marseille (I2M)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Torrésani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Duval, Jean-Marc Nuzillard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jonathan Farjon, Sabine Bouguet-Bonnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabolomique

Résonance magnétique

Traitement du signal

Petites molécules

Chimie analytique

Mots clés libres

Analyse de mélanges

Traitement du signal

Résonance magnétique Nucléaire

Métabolomique

Mixture analysis

Signal processing

Nuclear magnetic resonance

Metabolomics

Résumé

Cette thèse vise au développement de méthodes de traitement du signal pour l'analyse de mélanges de petites molécules. La première partie est centrée sur l'évaluation d'algorithmes de séparation aveugle de sources (BSS) sur des données RMN 1D et 2D. Les résultats sur les données simulées fournissent une bonne estimation des empreintes spectrales et des concentrations des composants dans les mélanges. Pour les données réelles, le prétraitement est important comme l'alignement des spectres. Le modèle de mélange instantané linéaire s’est avéré incomplet pour décrire les ensembles de données. Pour une évaluation quantitative des performances, nous avons proposé des paramètres utilisés pour le BSS dans d'autres domaines que la spectroscopie: l'indice d'Amari, le SIR et le SDR. Leur pertinence pour ce type de données doit être validée avec un ensemble de données plus large. Ensuite, deux méthodes de RMN sont évaluées dans deux applications originales: la première concerne la mise en œuvre et l'évaluation du filtre de relaxation T1ρ en métabolomique pour supprimer les signaux des macromolécules. Ce filtre est bien adapté aux échantillons étudiés en métabolomique, qu'ils soient liquides ou tissulaires, avec des résultats similaires à ceux obtenus avec le filtre de relaxation T2. La seconde concerne l'application de l'approche Maximum Quantum (MaxQ-NMR) pour simplifier les spectres de mélanges issus de réactions enzymatiques. La présence d'enzymes et de complexes paramagnétiques conduit à une réduction significative des temps de relaxation nécessitant un réglage fin des paramètres expérimentaux pour trouver un compromis entre excitation uniforme des cohérences et perte de signal

This thesis aims to develop signal processing methods for the analysis of mixtures of small molecules. The first part is focused on the evaluation of blind source separation (BSS) algorithms on 1D and 2D NMR data. The results on simulated data provide a good estimate of the spectral fingerprints and the concentrations of the components in the mixtures. For the real data, pre-processing steps are very important such as the alignment of the spectra. The linear instantaneous mixing model was found to be incomplete to accurately describe the datasets. For a quantitative evaluation of performances, we have proposed parameters used for the BSS on other fields than spectroscopy: the Amari index, SIR and SDR. Their relevance to this type of data has to be validated with a larger dataset. In the second part, two NMR methods are evaluated in two original applications: the first concerns the implementation and evaluation of the T1ρ relaxation filter in metabolomics to suppress large signals from macromolecules. It is shown here that this filter is well suited for samples studied in metabolomics, whether liquids or tissues, with results similar to those obtained with the T2 relaxation filter. The second concerns the application of the Maximum Quantum (MaxQ-NMR) approach to simplify the NMR spectra of mixtures resulting from enzymatic reactions. The presence of enzymes and paramagnetic complexes leads to a significant reduction in relaxation times requiring fine adjustment of experimental parameters to find a compromise between uniform excitation of coherences and loss of signal