Le but de ce travail de doctorat est l’étude chimique et biosynthétique de familles d’alcaloïdes guanidiniques d’origine marine provenant d’éponges de Méditerranée.Le travail est divisé en trois parties successives : 1) l’isolement d’alcaloïdes produits par des éponges marines de l’ordre des Poeciloscerida; 2) l’élucidation de la biosynthèse de la crambescine C1 par des études in vivo d’incorporation de précurseurs marqués au 14C; 3) la synthèse biomimétique de la crambescine A2 448 et de dérivés proches.La famille des alcaloïdes guanidiniques cycliques des crambescines est au coeur de la thèse, ces substances naturelles sont produites par l’éponge incrustante Crambe crambe. Ces alcaloïdes ont été découverts dans les années 1990 et ont suscité beaucoup d’intérêt pour leurs propriétés biologiques et écologiques et leurs synthèses totales. Par contre, leur biosynthèse était encore inconnue à ce jour. La seule synthèse biomimétique disponible était basée sur une hypothèse d’origine polyacétique. Les hypothèses récentes de nos groupes ont permis de mettre en avant une origine mixte: la partie cyclique guanidinique proviendrait d’un pyrrolidinium issu de l’arginine et d’un précurseur “céto-acide” proche des acides gras. Sur la base de cette hypothèse, nous avons mis au point une expérience d’incorporation qui a ensuite inspirée une voie de synthèse biomimétique pour l’accès aux crambescines et dérivés. Les premières conclusions quant à l’origine biosynthétique de ces molécules sont les faits les plus marquants de ce travail. Nous apportons une meilleure compréhension de la biochimie des alcaloïdes guanidiniques marins de structures complexes. / This thesis aims at the study of the chemical and biogenetic origin of specialized guanidine-alkaloid metabolites produced by sponges from the Mediterranean Sea.The work is divided into three main parts: 1) isolation of alkaloids produced by sponges of the Poeciloscerida order; 2) biosynthesis of crambescin C1 by in-vivo 14C-feeding experiments with Crambe crambe sponge; 3) biomimetic synthesis of crambescin A2 448 and derivatives. The main focus of the thesis will be the family of cyclic-guanidine alkaloids "crambescins", produced by the red incrusting sponge Crambe crambe.These alkaloids were discovered in the early 90s and despite the large interest on their biological activities, ecological roles, and synthesis, their biosynthesis is still unknown.The only available biomimetic synthesis of crambescins was based on a fully polyketide origin hypothesis. Recently our groups suggested an alternative biosynthetic hypothesis in which the guanidine-core would be originated from a condensation between a guanidinated pyrrolidinium derived from arginine and a beta-keto fatty acid. Based on this hypothesis, we designed a biosynthesis experiment that inspired a biomimetic synthesis route to access the crambescins and derivatives. The insights from these studies are the first experimental conclusions about the biosynthesis of crambescins. Finally, this work leads to a better comprehension of the biochemistry involved in guanidine marine alkaloids of complex structures.

Le groupe Substances Naturelles Marines du LCMBA (UMR 6001 CNRS-UNSA) se consacre à l'isolement et à la caractérisation de nouvelles molécules bioactives à partir d'invertébrés marins (spongiaires et cnidaires principalement). Suivant l'intérêt que ces molécules originales suscitent, leur valorisation peut concerner autant le domaine de la pharmaceutique que celui de la biosynthèse ou de l'écologie chimique. Ce manuscrit présente les travaux de recherche réalisés sur les deux éponges Pandaros acanthifolium et Agelas oroides, et sur les deux cnidaires Astroides calycularis et Parazoanthus axinellae. P. acanthifolium, très peu étudié, a permis l'isolement d'une nouvelle famille de saponines stéroïdiennes. La famille des orthidines et une nouvelle aplysinopsine, ont été isolées pour la première fois d'A. calycularis. Enfin, nous décrivons une nouvelle famille d'alcaloïdes isolée de P. axinellae qui nous a permis de distinguer deux morphotypes de P. axinellae d'après leurs profils chimiques. A. oroides a été choisi comme modèle d'étude pour la mise en place d'un nouveau protocole de biosynthèse in vivo des alcaloïdes de type pyrrole-2-aminoimidazoles (P2AI). Ces études permettent de confirmer l'utilisation de la proline dans la biosynthèse des P2AI.

Ce manuscrit présente nos travaux de recherches réalisés sur : i) des éponges marines de Méditerranée (Phorbas tenacior) et des DOM-TOM (Niphates sp. et Clathria rugosa), sélectionnées sur la base des propriétés biologiques préliminaires réalisées sur les extraits bruts, de l’originalité des métabolites, et/ou de l’absence d’étude chimique antérieure de l’espèce ; ii) la synthèse et l’évaluation des propriétés biocides d’analogues de la viscosaline, molécule de type 3-alkylpyridinium aux propriétés antibactériennes et antisalissures faiblement valorisées. L’étude de l’éponge calédonienne Niphates sp. a conduit à l’isolement des népheliosynes A et B, deux polyacétylènes polyhydroxylés avec des cytotoxicités modérées. Les anchinopeptolides B-D, inhibiteurs sélectifs des kinases GSK-3 et PfGSK-3, ont été isolés de Phorbas tenacior, ainsi que la phorbasoïne, un alcaloïde nouveau avec un coeur hydantoïne. Enfin, la première étude chimique de Clathria rugosa a conduit à l’isolement d’un nouveau macrolide, le Clathriolide, un métabolite secondaire cytotoxique vis-à-vis de nombreuses lignées cellulaires tumorales. Chacun des métabolites isolés a fait l’objet d’une étude structurale et biologique poussée. Une stratégie de synthèse originale d’analogues structuraux de la viscosaline a été mise au point. Les dérivés obtenus possèdent d’excellentes activités antibactériennes et antisalissures ainsi que des activités antitumorales modérées. / This manuscript deals with : i) marine sponges from the Mediterranean Sea (Phorbas tenacior) and New Caledonia (Niphates sp. and Clathria rugosa), selected for their biological activities conduced on their crude extract, the originality of produced secondary metabolites and the absence of previous chemical studies ii) the synthesis and the antibacterial properties of analogues of viscosaline. Viscosaline is a 3-alkylpyridinium secondary metabolites which exhibited interesting antibacterial and antifouling properties. The study of the New Caledonian marine sponge Niphates sp. led to the isolation of nepheliosynes Aand B, two polyhydroxylated polyacetylenic acids which exhibited moderate cytotoxic properties. The anchinopeptolides B-D, selective inhibitors of GSK-3 and PfGSK-3 kinases, have been isolated from Phorbas tenacior along with the new alkaloid phorbasoïne. Finally, the first study of the New Caledonian sponge Clathria rugosa let to the isolation of new macrolide, clathriolide, which exhibited cytotoxic properties. The structures and biological properties of each metabolite have been extensively studied in this work. An original synthesis of analogues of viscosaline had been developed. All the derivatives showed excellent antibacterial and antifouling properties, and moderate antitumoral activities.

Notre équipe est l’un des partenaires du projet international PoMaRé (« Invertébrésbenthiques de Polynésie, Martinique et de la Réunion »). Nous travaillons encollaboration directe avec le Dr Cécile Debitus de l’IRD en Polynésie française, sonéquipe étant notamment en charge de collecter des échantillons d’éponges marinesdans différents atolls du Pacifique.Au laboratoire, nous nous sommes intéressés particulièrement à deux espècesabondantes en Polynésie : Dactylospongia metachromia et Dactylospongia elegans.Notre travail a consisté à isoler leurs métabolites spécialisés majoritaires : lesilimaquinones, puis à réaliser diverses études autour de ces deux sesquiterpènesquinoniques épimériques. Le travail s’est organisé de la façon suivante :- Extraction des ilimaquinones : les ilimaquinones ont été isolées de l’éponge Dactylospongia metachromia avec un rendement > 3 %. Une étude de la variation de leur pourcentage respectif par rapport à la géographie de collecte de l’éponge a été entreprise. Impliquant plus d’une centaine d’échantillons, c’est la première fois qu’une étude d’une telle ampleur est réalisée. L’éponge D. elegans a également été étudiée, nos études ont révélé la présence de l’ilimaquinone mais aussi d’une structure proche : l’isospongiaquinone.- Modifications structurales autour des ilimaquinones : Par voie chimique : des modifications ont été étudiées sur les ilimaquinones afin de cerner leur réactivité, divers analogues ont ainsi été obtenus. Entre autres, les substances naturelles isospongiaquinone, 5-epi-isospongiaquinone et néomamanuthaquinone ont pu être hémisynthétisées. Lors de ces études, une nouvelle réaction a été découverte modifiant la quinone de façon surprenante dans des conditions oxydantes. Par voie enzymatique : des micro-organismes ont été utilisés pour réaliser des biotransformations sur le squelette de l’ilimaquinone, trois composés ont été obtenus. Ces modifications ont touché à la fois la décaline et la quinone de notre substrat. Une réaction de fonctionnalisation originale a d’ailleurs pu être observée pour la première fois.- Modélisation moléculaire et électrochimie : une étude de modélisation moléculaire nous a permis de calculer l’énergie de formation des ilimaquinones en nous basant sur les hypothèses de biosynthèse que nous pouvons maintenant mieux appréhender. Finalement une étude d’électrochimie nous a permis d’évaluer les propriétés oxydo-réductrices de ces molécules naturelles à fortes potentialités en termes d’activités biologiques. / Our team is one of the partners of the international project PoMaRe ("Benthic Invertebrates of Polynesia, Martinique and Reunion"). We worked directly with Dr. Cécile Debitus from the IRD in French Polynesia, her team was in charge of collecting samples of marine sponges in different atolls of the Pacific.In the laboratory, we focused particularly on two abundant species in Polynesia: Dactylospongia metachromia and Dactylospongia elegans. Our job was to isolate their major metabolites: the ilimaquinones and perform various studies around these two epimeric sesquiterpene quinones.The work was organized as follows:- Extraction of ilimaquinones: ilimaquinones were isolated from the sponge Dactylospongia metachromia with a yield > 3%. A study of the variation of their respective percentage in relation with the geography of collection was undertaken, involving more than one hundred samples. This is the first study of this scale to be achieved. The sponge D. elegans was also studied, our results revealed the presence of ilimaquinone but also a nearby structure: isospongiaquinone.- Structural modifications of ilimaquinones:* Chemical modifications: structural changes were studied on ilimaquinones to delimit their reactivity: various analogues have been obtained. Among others, natural substances isospongiaquinone, 5-epi-isospongiaquinone and neomamanuthaquinone have been obtained. In these studies, a new reaction was discovered modifying the quinone surprisingly under oxidizing conditions.* Enzymatic modifications: micro-organisms were used to carry out biotransformations on the skeleton of ilimaquinone, three compounds were obtained. These changes have affected both the decalin and the quinone of our substrate. An original reaction has also been observed for the first time.- Molecular modeling and electrochemistry: a molecular modeling study has allowed us to calculate the energy of formation of ilimaquinones based on biosynthesis assumptions that we can now better understand. Finally an electrochemistry study evaluated the redox properties of these natural molecules with high potential in terms of biological activity.

Les travaux de thèse exposés dans ce manuscrit portent sur l'étude chimique de quatre éponges marines collectées à Madagascar : Monanchora unguiculata, Amphimedon sp., Aulospongus gardineri et Biemna laboutei. Pour les trois premières, l'extraction, l'isolement et l'identification des métabolites secondaires par différentes techniques chromatographiques (CLMP, CLHP…) et spectroscopiques (UV-visible, SMHR, RMN 1D et 2D…) ont été envisagés. Quinze métabolites secondaires de type alcaloïdes guanidiniques, dérivés de la bromotyrosine, N-acyléthanolamines et polyynes, ont été isolés de ces éponges. Huit sont de structures nouvelles. La valorisation des molécules isolées a ensuite été envisagée via l'évaluation de leurs activités biologiques. Deux d'entres elles, la fromiamycaline (M70) et la ptilomycaline F (MU7) ont montré une excellente activité antipaludique et quatre, la fromiamycaline (M70) et les ptilomycalines E (MU6), G (MU8) et H (MU9) une cytotoxicité sur cellules KB prometteuse. L'étude de la dernière éponge, Biemna laboutei, portait sur des molécules précédemment isolées au sein du LCSNSA. Les travaux entrepris comprenaient une vérification des configurations relatives de neuf alcaloïdes guanidiniques déterminées par RMN grâce à la probabilité DP4+. Les configurations relatives déterminées par RMN de sept des molécules ont ainsi pu être confirmées et trois d'entre elles, les nétamines G (E8), P (E17) et R (E19) ont fait l'objet d'une étude plus approfondie par modélisation moléculaire afin de déterminer leur configuration absolue par comparaison de leur spectre de Dichroïsme Circulaire Électronique expérimental avec un spectre calculé. / The work described in this manuscript concerns the chemical study of four sponges from Madagascar: Monanchora unguiculata, Amphimedon sp., Aulospongus gardineri and Biemna laboutei. For the first three sponges, the study was devoted to the extraction, isolation and identification of secondary metabolites by various chromatographic (MPLC, HPLC…) and spectroscopic (UV, HRMS, 1D and 2D NMR…) techniques. Fitfteen secondary metabolites including guanidine alkaloids, bromotyrosin derivated, N-acylethanolamines and polyynes were isolated from these sponges. Eight are new molecules. The biological activities of the isolated compounds were then evaluated. Two of them, fromiamycalin (M70) and ptilomycalin F (MU7) showed a very good antimalarial activity and four of them, fromiamycalin (M70) and ptilomycalins E (MU6), G (MU8) and H (MU9) a promising cytotoxicity against KB cells. The study of the last sponge, Biemna laboutei, was performed on molecules already isolated in the LCSNSA. This work included the determination of the relative configuration of nine guanidine alkaloids by using the DP4+ probability. The relative configuration of seven molecules was confirmed. Three of them, netamines G (E8), P (E17) and R (E19) were selected for a study by molecular modeling to determine their absolute configuration by comparison of their experimental Electronic Circular Dichroism spectrum with a calculated spectrum.

Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent sur l'étude de quatre éponges marines issues de la zone Sud-Ouest de l'Océan Indien : Plakortis kenyensis, Theonella swinhoei, Haliclona fascigera et Fascaplysinopsis reticulata. Les travaux entrepris comprenaient l'étude chimique de ces éponges incluant l'extraction, l'isolement et l'identification des métabolites secondaires par différentes techniques chromatographiques (CLMP, CLHP...) et spectroscopiques (UV-visible, HRMS, RMN 1D et 2D...). Douze métabolites secondaires ont été isolés de ces éponges dont six de structures nouvelles, à savoir : l'acide 2,5-époxydocosan-6-én-21-ynoïque (HF1), un acide gras atypique isolé de l'éponge Haliclona fascigera ; la 8-oxo-tryptamine (FR2), la 6,6’-bis-(débromo)- gelliusine F (FR3), la 6-bromo-2’-déméthyl-3’-N-méthyl-1’,8-dihydroaplysinopsine (FR6), la 5,6-dibromo-2’- déméthyl-3’-N-méthyl-1’,8-dihydroaplysinopsine (FR7) et la 5,6-dibromo-3’-déimino-2’-déméthyl-3’-oxo-1’,8- dihydroaplysinopsine (FR8), cinq alcaloïdes indoliques isolés de l'éponge Fascaplysinopsis reticulata. La valorisation des molécules isolées a ensuite été envisagée via l'évaluation de leurs activités biologiques. Parmi les douze molécules isolées, sept ont montré une activité antipaludique, trois une activité inhibitrice du quorum sensing de la bactérie bioluminescente Vibrio harveyi et cinq une activité anti-microfouling par inhibition de l'adhésion et/ou de la croissance de souches microbiennes marines. / The work described in this manuscript concerns four sponges from the South-West Indian Ocean: Plakortis kenyensis, Theonella swinhoei, Haliclona fascigera and Fascaplysinopsis reticulata. The chemical study of the sponges including extraction, isolation and identification of secondary metabolites was undertaken using various chromatographic (MPLC, HPLC ...) and spectroscopic (UV-visible, HRMS, 1D and 2D NMR ...) techniques. Twelve secondary metabolites including six new molecules were isolated from these sponges. The new molecules are: 2,5-époxydocosan-6-en-21-ynoic acid (HF1) an unusual fatty acid isolated from the sponge Haliclona fascigera; 8-oxo-tryptamine (FR2), 6,6'-bis (debromo)-gelliusine F (FR3), 6-bromo-2'-demethyl-3'-N- methyl-1',8-dihydroaplysinopsine (FR6), 5,6-dibromo-2'-demethyl-3'-N-methyl-1',8-dihydroaplysinopsine (FR7) and 5,6-dibromo-3’-deimino-2’-demethyl-3’-oxo-1’,8-dihydroaplysinopsine (FR8), five indole alkaloids isolated from the sponge Fascaplysinopsis reticulata. The biological activities of the isolated molecules were then evaluated. Among the twelve isolated molecules, seven were active against the malaria parasite Plasmodium falciparum, three were identified as inhibitors of the quorum sensing-regulated bioluminescence in Vibrio harveyi and five, showing marine bacterial adhesion and/or growth inhibition, exhibited potential anti- microfouling activity.