Dans la communauté scientifique, la glycosylation suscite un vif intérêt tant les relations existantes entre les sucres et les protéines sont étroites et sont impliquées dans de nombreux processus biologiques. De nombreuses méthodologies de synthèse ont été développées pour permettre la production de glycoprotéines sous forme homogènes nécessaires pour leur étude. Les formes S-glycosidiques sont d’un intérêt particulier grâce notamment à la réactivité de l’atome de soufre qui permet le couplage spécifique sucre – acide aminé et qui confère à la liaison une relative résistance à l’hydrolyse acido/basique et enzymatique. Dans le cadre de ce projet nous avons souhaité utiliser des outils biocatalytiques pour proposer une nouvelle voie d’accès aux protéines S-glycosylées en s’appuyant sur le concept des thioglycoligases. Pour répondre à ce challenge, nous nous sommes intéressés à la production d’une banque de glycosidases natives à partir du génome de la bactérie thermophile Dictyoglomus thermophilum. Trois protéines originales ont pu être produites, caractérisées et criblées en activité transglycosylase. Parmi ces dernières la β-glycosidase DtGly s’est révélée être un biocatalyseur efficace en favorisant la synthèse d’une variété de glycosides d’alkyle et de glycosyl glycérol. Par la suite, neuf mutants thioglycoligases ont été produits par mutagénèse dirigée à partir des glycosidases natives. A l’issue de leur criblage en activité thioligase, le mutant de DtGly E159Q a été retenu pour la synthèse de S-glycoconjugués. Une étude de relation structure/activité menée sur l’enzyme mutée nous a conduit à la synthèse d’un acide aminé non-naturel, la Thiotyrosine. L’essai de glycosylation de l’analogue estérifié de cette Thiotyrosine par DtGly E159Q a été suivi par LC-MS et a permis de mettre en évidence la formation du produit de thioglucosylation. Ce premier résultat préliminaire s’avère très prometteur pour la validation du concept de S-glycosylation d’un acide aminé catalysée par une thioglycoligase. / Glycosylation, one of the most complex co- and post-translationnal modifications of proteins, is of utmost importance for the scientific community as carbohydrates and proteins are closely related and involved in numerous diseases. The need to access homogeneous glycoproteins allows the development of a wide range of synthetic methods. Among them S-glycosidic forms have been attractive thanks to the reactivity of sulfur atom which allows the specific sugar – amino acid conjugation and confers a relative resistance through acido/basic or enzymatic hydrolysis. In this project we attempt to take advantage of natural tools to develop an enzymatic methodology to prepare S-glycosylated proteins through the thioglycoligase concept. In order to take up this challenge we first generate an enzymatic pool of wild type glycosidases from the thermophilic bacteria Dictyoglomus thermophilum. Activity screening of the three proteins produced and characterized allows the isolation of the β-glycosidase DtGly with good transglycosylation activity, thus affording a variety of alkyl glycosides and glyceroglycosides. Next we generate nine thioglycoligase mutants through site-directed mutagenesis and after screening of activity, the variant DtGly E159Q was selected to produce S-glycoconjugates. Finally, DtGly E159Q relation structure/activity studies led us to synthesize the unnatural amino acid Thiotyrosine. Enzymatic thioglucosylation assay catalyzed by DtGly E159Q was monitored by LC-MS and gave converging evidence of the successful formation of the S-glucosylated Thiotyrosine. This tremendous preliminary result is promising for further investigations of enzymatic S-glycosylation of amino acid using thioglycoligases as toolbox.

La gestion et transmission d’information au sein d’organismes vivants implique la production et le trafic de molécules via des voies de signalisation sutructurées en réseaux de réactions chimiques. Ces derniers varient selon leur forme, taille ainsi que la nature des molécules mises en jeu. Parmi eux, les réseaux de régulation génétiques nous ont servi de modèle pour le développement et la mise en place d’un système de programmation moléculaire in vitro. En effet, l’expression d’un gène est majoritairement dominé par des facteurs de transcription, autres protéines ou acides nucléiques, eux-mêmes exprimés par d’autres gènes. L’ensemble forme l’interactome de la cellule, carte globale des interactions entre gènes et sous-produits, où la fonction du réseau est relié à sa topologie. L’observation des noeuds et sous-architectures dénote trois mécanismes récurrents : premièrement, la nature des interactions est de type activation ou inhibition, ce qui implique que tout comportement non trivial est obtenu par une combinaison de noeuds plutôt que le développement de nouvelles interactions. Ensuite, la longévité du réseau est assurée par la stabilité chimique de l’ADN couplée à la chimiosélectivié des réactions enzymatiques. Enfin, l’aspect dynamique est maintenu par le constant anabolisme/catabolisme des intermédiaires et donc l’utilisation de combustible/énergie. C’est suivant ces observations que nous avons développé un ensemble de trois réactions enzymatiques élémentaires : la «PEN-DNA toolbox». L’architecture du réseau, à savoir les connections entre les noeuds est médiée par la séquence de brins d’ADN synthétiques (appelés matrice), et trois enzymes (polymérase, nickase, et exonucléase) assurent la catalyse des réactions chimiques. La production et dégradation des intermédiaires consomme des désoxyribonucléotides triphosphates et rejette des désoxyribonucléotides monophosphate, dissipant ainsi le potentiel chimique. Les réactions sont suivies grâce au greffage d’un fluorophore sur le brin matriciel et au «nucleobase quenching» qui intervient lorsqu’une base d’un intermédiaire se rapproche du fluorophore après hybdridation sur le brin matriciel. L’activation correspond alors à la synthèse d’un brin output en réponse à un brin input, alors que l’inhibition survient lorsqu’un brin output s’hybride sur un brin matriciel, empêchant ainsi à l’input correspondant de s’y fixer. Oscillations, bistabilité et mémoire sont des exemples de comportements implémentés en PEN-DNA toolbox, faisant appel à des architectures de plus en plus complexes. Pour cela, un réglage fin des concentrations en effecteurs (ADN et enzymes) est nécessaire, ce qui sous-tend l’existence de plusieurs comportements pour un même circuit, dépendant des conditions paramétriques. L’établissement d’une carte de chaque combinaison de paramètres avec le comportement global associé permettrait de comprendre le fonctionnement du réseau dans son ensemble, et donnerait accès à tous les comportements disponibles. Dans le cas d’un système dynamique non linéaire, une telle carte est un diagramme de bifurcation du système. Pour explorer de manière exhaustive les possibilités d’un réseau dans un cadre expérimental raisonable, nous avons développé une plateforme microfluidique capable de générer des goutelettes d’eau dans l’huile à partir de quatres canaux aqueux différents. Ce dispositif nous donne accès, grâce à un contrôle fin des contributions de chaque canal aqueux, à des goutelettes monodisperses (volume de l’ordre du picolitre) dont le contenu est différent pour chaque goutelette. Nous avons adapté notre dispositif aux contraintes matérielles (design microfluidique, génération de goutelettes à contenu différents et controllés, observation et stabilité à long terme) et techniques (tracabilité des goutelettes et stabilité/compatibilité chimique). (...) / Information processing within and in between living organisms involves the production and exchange of molecules through signaling pathways organized in chemical reactions networks. They are various by their shape, size, and by the nature of the molecules embroiled. Among them, gene regulatory networks were our inspiration to develop and implement a new framework for in-vitro molecular programming. Indeed, the expression of a gene is mostly controlled by transcription factors or regulatory proteins and/or nucleic acids that are themselves triggered by other genes. The whole assembly draws a web of cross-interacting genes and their subproducts, in which the well controlled topology relates to a precise function. With a closer look at the links between nodes in such architectures, we identify three key points in the inner operating system. First, the interactions either activate or inhibit the production of the later node, meaning that non trivial behaviors are obtained by a combination of nodes rather than a specific new interaction. Second, the chemical stability of DNA, together with the precise reactivity of enzymes ensures the longevity of the network. Finally, the dynamics are sustained by the constant anabolism/catabolism of the effectors, and the subsequent use of fuel/energy. All together, these observations led us to develop an original set of 3 elementary enzymatic reactions: the PEN-DNA toolbox. The architecture of the assembly, i.e. the connectivity between nodes relies on the sequence of synthetic DNA strands (called DNA templates), and 3 enzymes (a polymerase, a nickase and an exonuclease) are taking care of catalysis. The production and degradation of intermediates consume deoxyribonucleoside triphosphates (dNTP) and produce deoxynucleotide monophosphates leading to the dissipation of chemical potential. Reactions are monitored thanks to a backbone modification of a template with a fluorophore and the nucleobase quenching effect consecutive to an input strand binding the template. The activation mechanism is then the production of an output following the triggering of an input strand, and the inhibition comes from the production of an output strand that binds the activator-producing sequence. Various behaviors such as oscillation, bistability, or switchable memory have been implemented, requiring more and more complex topologies. For that, each circuit requires a fine tuning in the amount of chemical parameters, such as templates and enzymes. This underlies the fact that a given network may lead to different demeanors depending on the set of parameters. Mapping the output of each combination in the parameter space to find out the panel of behaviors leads to the bifurcation diagram of the system. In order to explore exhaustively the possibilities of one circuit with a reasonable experimental cost, we developped a microfluidic tool generating picoliter-sized water-in-oil droplets with different contents. We overcame the technical challenges in hardware (microfluidic design, droplet generation and long-term observation) and wetware (tracability of the droplet and emulsion compatibility/stability). So far, bifurcation diagrams were calculated from mathematical models based on the enzymes kinetics and the thermodynamic properties of each reaction. The model was then fitted with experimental data taken in distant points in the parameter space. Here, millions of droplets are created, and each one encloses a given amount of parameters, becoming one point in the diagram. The parameter coordinates are barcoded in the droplet, and the output fluorescence signal is recorded by time lapse microscopy. We first applied this technique to a well-known network, and obtained the first experimental two-dimensional bifurcation diagram of the bistable system. The diagram enlightens features that were not described by the previous mathematical model. (...)

Les travaux de recherche décrits dans ce manuscrit s'inscrivent dans le cadre de la chimie verte et du développement durable qui visent notamment l'emploi de matières premières issues de ressources renouvelables et la mise au point de procédés éco-compatibles pour la préparation de nouveaux produits à visées alimentaire, domestique ou thérapeutique. Dans ce contexte, une nouvelle voie d'accès aux acétals et éthers de monosaccharides (sorbitane et glucopyranoside de méthyle) a été développée. La synthèse se divise en deux étapes avec une première réaction d'acétalisation ou de transacétalisation qui a permis de synthétiser une nouvelle gamme d'acétals de monosaccharide. Puis, une seconde étape d'hydrogénolyse des acétals en présence de palladium sur charbon et sous pression d'hydrogène a permis d'accéder aux monoéthers de sorbitane et glucopyranoside de méthyle. Par la suite, un procédé en une étape et l'utilisation d'un intermédiaire acétal à courte chaîne comme solubilisant des réactifs a permis d'améliorer les rendements et d'envisager un développement à l'échelle industrielle. Enfin, ces nouvelles molécules ont été évaluées en tant que tensioactifs, cristaux liquides et antimicrobiens et certaines ont montré des propriétés très intéressantes qui permettraient d'envisager des applications potentielles dans ces domaines / The research work described in this manuscript is based on the green chemistry concept and within the frame of sustainable development which involve the use of raw materials from renewable resources and the development of eco-compatible process for the preparation of new products for food-processing, domestic or therapeutic applications. In this context, a new access to monosaccharide acetals and ethers (sorbitan and methyl glucoside) has been developed. The synthetic process is divided in two steps with an acetalisation or a transacetalisation as first reaction which allows to synthesize a new class of monosaccharide acetals. Then, a second step of acetal hydrogenolysis with palladium on charcoal and under hydrogen pressure has permitted access to sorbitan and methyl glucoside monoethers. Then, a one-step process and the use of intermediary short alkyl chain acetal as solubilizing agent has permitted to increase the yield and to consider an industrial development. Finally, these new molecules have been evaluated as surfactants, liquid crystals and antimicrobials and some of them have exhibited very attractive properties which could lead to potential applications in these fields

Comme le naphtalène a récemment émergé comme un socle fondamental en chimie médicinale, le développement de méthodologies menant à des plateformes fonctionnalisées basées sur du naphtalène est devenu un centre d’intérêt majeur de la communauté scientifique. En effet, des conditions expérimentales optimisées sur le benzène ou d’autre noyaux aromatiques ne peuvent pas toujours être transposées au naphtalène. Ces dernières peuvent parfois conduire à des résultats différents, possiblement dû à l’aromaticité plus faible de ce bicycle aromatique.Dans ce contexte, cette thèse s’articule autour du naphtalène et de ses dérivés. Des méthodes variées permettant une fonctionnalisation sélective de différentes positions de cette plateforme, ainsi que des stratégies de synthèses d’architectures polycycliques ont été développées.Notre attention s’est ensuite portée sur des précurseurs du naphtalène, en particulier sur les tetralones. En utilisant une méthode basée sur l’utilisation d’un groupe directeur éphémère, la position 8 de ce bicycle a été arylée, et les différents composés ainsi obtenus ont pu être convertis en d’autre plateformes polycycliques. En complément, des calculs DFT ont permis d’expliquer la régiosélectivité observée lors de la synthèse de fluorenones étendues, et d’étudier le mécanisme d’arylation dirigée des tetralones. / Because naphthalene has recently emerged as a fundamental platform in medicinal chemistry, the development of methodologies leading to diversely functionalised naphthalene-based platforms has become a prime concern of the scientific community. Indeed, experimental conditions previously optimised for benzene and other aromatic rings cannot always be applied to naphthalene. These methods can sometimes lead to different results, as a consequence of the lower aromaticity of the naphthalene core.In this context, this thesis is dedicated to the naphthalene and its derivatives. Various methods to selectively functionalise the different positions of the naphthalene core and synthetic pathways to extended polycyclic architectures were developed.Next, we focused on naphthalene precursors, especially on tetralones. Using a strategy involving a transient directing group, the position 8 of these bicycles was successfully arylated and the resulting compounds were successfully converted into other polycyclic platforms. In addition, DFT calculation have been used to explain the regioselectivity observed during the synthesis of extended fluorenones, and to study the mechanism of directed arylation of tetralones.