京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21781号 / 工博第4598号 / 新制||工||1716(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科物質エネルギー化学専攻 / (主査)教授 辻 康之, 教授 大江 浩一, 教授 近藤 輝幸 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Document incorrectly classified as a dissertation on title page (decision to classify as a thesis from NDSU Graduate School) / Organocatalysis is a field that has bloomed over the last decades. With the field’s promise of being able to mimic nature and afford products in a synergistic manner to traditional Lewis acid catalysis, several interesting discoveries have been made. Owing to the vastness of the field as it exists today, this document will focus on two main aspects; cinchona alkaloid (and derivatives) as used in common carbon-carbon bond forming reactions and kinetic resolution via 4-dimethyl aminopyridine-N-oxide derivative driven acylation. Kinetic resolution via organocatalysis has the potential to react one enantiomer of a racemic mixture without affecting the other. The highlight of this screening was an s factor of 9 which was produced using optimized conditions using a catalyst designated DMAPO-IV. There remains much to do in improving the system and elucidating the scope of this catalytic system this report details the efforts made thus far.

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L’obésité est associée avec plusieurs désordres métaboliques d’envergure dont le diabète, les maladies cardiovasculaires et la stéatose hépatique. De nouvelles études visant le développement des traitements efficaces contre l’obésité et ses complications ont été entreprises afin d’élucider les mécanismes pathophysiologiques par lesquels l’obésité induit ou amplifie ses conséquences négatives. Le tissu adipeux sécrète plusieurs hormones ou adipokines qui sont impliquées dans la régulation du poids corporel ainsi que l’homéostasie métabolique. La protéine stimulant l’acylation (ASP) est une adipokine stimulant la synthèse des triglycérides et leur stockage au niveau du tissu adipeux (et ceci, en agissant à travers son récepteur : le C5L2). Cette thèse se penche sur diverses populations humaines et évalue les changements au niveau de différentes adipokines, plus particulièrement l’ASP, en lien avec les facteurs déterminants de l’obésité. Cet objectif global s’est concrétisé à travers quatre études : I) L’évaluation des niveaux d’adipokines chez des patients consommant des breuvages édulcorés au glucose ou au fructose afin de déterminer les effets de la composition de la diète sur la fonction du tissu adipeux, II) Une étude transversale évaluant le lien entre l’ASP et les facteurs de risque cardiométabolique dans une population à risque, III) une étude chez des femmes souffrant d’obésité sévère qui ont subi une chirurgie bariatrique, afin de déterminer les associations entre l’expression hépatique des récepteurs liés au facteur du complément C3 avec les niveaux d’hormones sexuelles et d’adipokines post-chirurgie, et IV) l’évaluation des niveaux sanguins d’adipokines ainsi que de l’expression du C3 et des récepteurs qui y sont reliés dans les tissus adipeux viscéral vs sous-cutané en lien avec le syndrome métabolique, les hormones sexuelles et le profil métabolique. Nous avons démontré que l’ASP et son récepteur offraient différentes réponses en fonction du sexe, de la présence d’un désordre métabolique, des niveaux d’hormones sexuelles, de l’organe impliqué ainsi que de la composition de la diète : tous des facteurs déterminants pour l’obésité. En conclusion, ces résultats suggèrent que l’ASP agit comme médiateur entre les facteurs exogènes et les évènements biologiques menant à l’obésité et ses conséquences métaboliques. / Obesity is associated with many major metabolic disorders, especially diabetes, cardiovascular disorders and fatty liver disease. Aimed at developing effective therapies for obesity and its complications, new research has intensified to elucidate the pathophysiological mechanisms by which obesity induces or amplifies its major adverse consequences. Adipose tissue, as an endocrine organ, secretes several hormones termed “adipokines” that are involved in energy homeostasis and weight regulation. Dysfunction of adipokine pathways has been recognized as a key etiological factor of obesity-induced disorders. Acylation stimulating protein (ASP) is an adipokine that stimulates triglyceride synthesis and storage in adipose tissue by enhancing glucose and fatty acid uptake. ASP acts via its receptor C5L2. This thesis investigates several human populations under varying external and internal conditions and evaluates changes in adipokines, in particular ASP and its related proteins, in association with obesity determinants. This overall aim is achieved through four studies including the following: I) evaluation of adipokines in healthy overweight/obese adults consuming glucose- or fructose-sweetened beverages to determine the effects of diet composition on adipose tissue function II) a cross-sectional population-based study to determine fasting serum ASP and its relationships with cardiometabolic risk factors in a relatively high risk adult population III) a study on severely-obese pre/post-menopausal women, who underwent bariatric surgery, to determine associations of hepatic gene expression of complement C3 related receptors, sex hormones, adipokines and metabolic profiles as well as evaluating obesity improvement after surgery IV) a study on women with a wide age and BMI range to determine plasma adipokine levels and adipose tissue depot gene expression of C3 and related receptors in association with metabolic syndrome criteria, ovarian hormones and metabolic profile. I found different responses of ASP and its receptor according to gender, metabolic disorder, sex hormone levels, organ involvement and diet composition: all factors critical as obesity determinants. The results presented here demonstrate that ASP may mediate the link between obesity-related exogenous factors and biologic events that lead to obesity consequences. In conclusion, these findings validate that obesity is a low-grade inflammatory status with multi-organ involvement, evidencing sex differences and dynamic interactions between immune and metabolic response determinants.

Les zéolithes, aluminosilicates cristallins poreux, sont des catalyseurs acides hétérogènes très largement utilisés dans l’industrie chimique. Ces catalyseurs permettent de répondre très précisément à de nombreuses exigences économiques et environnementales contemporaines. Pour cela, les zéolithes s’appuient sur des propriétés uniques, comme la sélectivité de forme, ou encore la présence d’une double acidité de Lewis et de Brønsted, pour offrir de nouveaux outils à la synthèse organique. Ce sont plus de 230 structures qui ont été décrites à ce jour mais ce sont bien des centaines de milliers d’assemblages possibles, ce qui laisse un vaste choix quant à l’expansion de cette recherche. Dans ce travail, nous avons cherché à (i) mieux comprendre la cristallisation des zéolithes en présence d’un déchet issu de l’industrie sucrière, la bagasse de canne à sucre ; (ii) pour cela, différentes techniques ont été employées et développées afin de permettre une caractérisation précise de chaque zéolithe, notamment leur acidité, paramètre clé de leur réactivité ; (iii) une fois bien identifiés, ces catalyseurs ont été engagés dans des réactions modèles, une réaction de Diels-Alder ainsi qu’une acylation de Friedel-Crafts. Ainsi, un catalyseur le plus « idéal » possible regroupant toutes les propriétés requises aura pu être conçu sur mesure. Cette thèse s’essaie à une meilleure compréhension de la croissance cristalline des aluminosilicates poreux, et cela, via la synthèse de différentes zéolithes dont les propriétés intrinsèques sont optimisées puis utilisées de façon à obtenir les meilleurs résultats dans des réactions de catalyse acide ; en accord avec la chimie verte et ses préceptes. / Zeolites are crystalline porous aluminosilicates and useful heterogeneous catalysts in chemical industries. They represent one of the significant solutions to main environmental concerns. Thanks to their particular properties like shape selectivity and intrinsic acidities of Lewis and Brønsted, zeolites offer unbeatable abilities in organic synthesis. More than 230 structures have already been discovered, which afford thousands discovery and offer a lot of possibilities.This work was focused on (i) a better understanding of zeolite crystallisation in the presence of an additional component from sugar industry, sugarcane bagasse; (ii) several characterization techniques have been used for a precise structure – properties understanding, mainly for their acidity; (iii) tailored-made catalysts have been tested in model reactions like Diels-Alder and Friedel-Crafts acylation. Hence, optimal catalysts exhibiting required properties could be prepared. This Thesis also aimed to explain zeolite crystallization thanks to sacrificial additional template.BEA, MFI, FAU and LTA zeolites have been prepared then optimized for catalytic testing in different reactions, while keeping in mind the Green Chemistry concept.

Les tensioactifs sont des produits chimiques largement utilisés dans le monde. Dans un contexte de développement durable, il est important de développer selon les principes de la chimie verte de nouvelles molécules amphiphiles issues de substances naturelles renouvelables. L'association d'un acide aminé ou d'un peptide et d'un composé à longue chaîne permet l'obtention de molécules ayant une activité de surface élevée. Nous avons étudié et développé de nouveaux mélanges de tensioactifs obtenus à partir de protéines de pois. Dans une première étape, les protéines sont hydrolysées par l'Alcalase et la Flavourzyme à 50°C, pH 7,5, durant 30 min, afin d'obtenir des peptides de 3 à 5 acides aminés en moyenne qui constituent la partie hydrophile des tensioactifs. Puis, dans l'eau, la partie lipophile en C12 est greffée sur les fonctions amines libres avec un taux de 83% par une acylation de Schotten-Baumann, préalablement mise au point sur des acides aminés modèles. La CMC des formulations anioniques obtenues atteint 75 mg/L avec une TS de 28,4 mN/m (en comparaison aux 240 mg/L et 39,1 mN/m pour le SDS) ce qui leur confère des propriétés moussantes et émulsifiantes comparables voir supérieures aux tensioactifs pétrochimiques commerciaux. Enfin, ces mélanges sont cationisés par estérification des fonctions carboxylates à l'aide du chlorure de glycidyltriméthylammonium augmentant ainsi leur potentiel zêta de +70 mV. Les formulations ont alors des CMC de 90 mg/L et des TS de 32 mN/m. Les deux nouvelles familles de tensioactifs naturels synthétisées présentent d'excellentes propriétés ce qui permet d'envisager leur utilisation comme une alternative « verte » dans de nombreux secteurs d'application. / The surfactants are chemical products widely used in the world. Within a context of sustainable development, it is important to develop, following the principles of green chemistry, new amphiphilic molecules from natural renewable materials. The association of an amino acid and a long chain compound allows obtaining molecules with a high surface activity. We studied and developed new mixtures of surfactants obtained from pea proteins. In a first step, proteins are hydrolyzed by Alcalase and Flavourzyme at 50°C, pH 7.5, during 30 min, to obtain peptides with an average of 3 to 5 amino acids that constitute the hydrophilic part of surfactants. Then, the lipophilic part with 12 carbons is grafted on the free amine functions with a rate of 83% by a Schotten-Baumann reaction, in water. This reaction was developed with amino acids as a model. The CMC of the anionic formulations obtained reaches 75 mg/L with a ST of 28,4 mN/m (in comparison to 240 mg/L and 39.1 mN/m for the SDS) that gives foaming and emulsifying properties comparable or even better than petrochemical commercial surfactants. Finally, these mixtures are cationized by esterification of carboxylate functions with the glycidyltrimethylammonium chloride thus increasing their zeta potential of +70 mV. The formulations have a CMC of 90 mg/L and a ST of 32 mN/m. Both synthesized new families of natural surfactants present excellent properties which permit to consider their use as a “green” alternative in numerous applications.

Ce travail a consisté, dans un premier temps, à extraire et à identifier les flavonoïdes majeurs contenus dans les feuilles de Nitraria retusa et à évaluer leurs activités biologiques. Quatre flavonoïdes ont été identifiés dans les extraits et les fractions obtenus : l’isorhamnétine, l’isorhamnétine-3-O-glucoside et les deux isomères isorhamnétine-3-O-rutinoside et isorhamnétine-3-O-robinobioside. L’étude des activités biologiques des extraits et des fractions de N. retusa a permis d’établir une relation linéaire entre leur teneur en flavonoïdes et leurs activités antioxydantes et antiprolifératives, les milieux les plus riches présentant les activités les plus importantes. Ces activités dépendent également de la nature des flavonoïdes présents ; ainsi, la très forte activité d’inhibition de la xanthine oxydase relevée pour la fraction au chloroforme et sa grande capacité à piéger le radical DPPH ont été attribuées à sa teneur élevée en isorhamnétine, flavonoïde aglycone présentant une grande analogie structurale avec la quercétine, molécule bien connue pour ses activités antioxydantes. Dans un deuxième temps, l’acylation enzymatique de l’isoquercitrine, flavonoïde modèle, et de l’isorhamnétine-3-O-glucoside a été étudiée pour tenter d’améliorer leurs propriétés. L’acylation enzymatique de l’isoquercitrine par des esters éthyliques d’acides gras de différentes longueurs de chaîne, catalysée par la lipase B de Candida antarctica, a montré que les performances de la réaction sont inversement proportionnelles à la longueur de la chaîne du donneur d’acyle. Des résultats similaires ont été obtenus lors de l’acylation de l’isorhamnétine-3-O-glucoside. Les activités des esters d’isoquercitrine et d’isorhamnétine-3-O-glucoside ont été évaluées et comparées à celles des flavonoïdes non acylés. Les esters ont montré des activités antiprolifératives vis-à-vis de cellules Caco2 et d’inhibition de la xanthine oxydase plus importantes que celles des molécules d’origine. Finalement, ce travail a permis d’apporter des éléments de compréhension de la relation structure-activité de flavonoïdes et de leurs dérivés acylés / The present work firstly consisted in studying the extraction and the identification of major flavonoids contained in Nitraria retusa leaves and evaluating their biological activities. Four flavonoids were identified in extracts and fractions: isorhamnetin, isorhamnetin-3-O-glucoside and the two isomers isorhamnetin-3-O-rutinoside and isorhamnetin-3-O-robinobioside. The evaluation of the biological activities of extracts and fractions of N. retusa allowed to establish a linear relationship between their antioxidant and antiproliferative activities and their total flavonoids content, the most enriched exhibiting the highest activities. The nature of the flavonoids present in the extracts and fractions was shown to be important too. Thus, the strong xanthine oxidase inhibition activity and the high DPPH radical scavenging capacity observed for the chloroform fraction can be attributed to its high content in the aglycone flavonoid isorhamnetin, a structural analogue of quercetin which is well known for its antioxidant activities. In a second part, the enzymatic acylation of isoquercitrin as a model compound and isorhamnetin-3-O-glucoside was studied in order to improve their properties. The enzymatic acylation of isoquercitrin by fatty acid ethyl esters of different chain lengths, catalyzed by the lipase B of Candida antarctica, showed that the performance of the reaction is inversely proportional to the acyl donor chain length. Similar results were obtained when acylating the isorhamnetin-3-O-glucoside. The activities of isoquercitrin and isorhamnetin-3-O-glucoside esters were determined and compared to that of initial flavonoids. Esters exhibited higher antiproliferative towards Caco2 cells and xanthine oxidase inhibition activities than original compounds. Finally, this work led to a better understanding of the structure-activity relationship of flavonoids and their acylated derivatives

Pseudomonas aeruginosa PA14 est une bactérie pathogène très résistante aux antibiotiques et impliquée dans de nombreuses infections nosocomiales. Toutefois, la disponibilité d'agents antibactériens efficaces contre cette bactérie manque cruellement à ce jour. Explorer la physiologie de P. aeruginosa au niveau des modifications post-traductionnelles (PTMs) pourrait fortement contribuer au développement de nouveaux agents thérapeutiques. En effet, il a été montré certaines corrélations entre les PTMs et la virulence, l’adaptation et la résistance bactérienne. De plus, les progrès récents en protéomique ont permis d’accéder à un nombre croissant des protéines modifiées. Pourtant, leur description reste un véritable challenge.Dans une première partie, nous avons étudié l'impact des kinases et des phosphatases sur la physiologie de P. aeruginosa PA14. Cependant, aucune différence de phénotype n'a été observée entre les 8 mutants de ces enzymes et la souche sauvage.Dans une deuxième partie, nous avons caractérisé le succinylome et l'acétylome de la lysine chez P. aeruginosa PA14 dans quatre sources de carbone (glucose, citrate, succinate et glutamate) par enrichissement par anticorps couplé à la spectrométrie de masse. Ainsi, 1 530 sites succinylés (617 protéines) et 1 109 sites acétylés (526 protéines) ont été identifiés. De façon intéressante, 622 sites (312 protéines) ont été observés acétylés ou succinylés sur la même lysine, révélant ainsi l'existence de protéoformes pour une même protéine. Les protéines modifiées sont impliquées dans tous les processus biologiques. Toutefois, certaines d'entre elles ont des fonctions dans la résistance aux antibiotiques, le chimiotactisme et la virulence.Nous avons également quantifié les peptides succinylés et/ou acétylés dans les 4 sources de carbone. Les peptides succinylés étaient principalement sur-exprimés en citrate, mais aucune différence significative n’a été observée pour les peptides acétylées.Dans une troisième partie, nous avons étudié par immunoprécipitation le succinylome et l’acétylome de la lysine des protéines extracellulaire de P. aeruginosa. Nous avons montré que certaines lysines des protéines LasB et CbpD, deux facteurs de virulence, sont modifiées par 9 PTMs différentes. Une approche d’électrophorèse bi-dimensionnelle (2D) a permis de révéler et de quantifier les protéoformes des protéines extracellulaires et plus spécifiquement de ces facteurs de virulence.Dans une quatrième partie, une approche quantitative « label-free » a permis de mettre en avant 581 protéines qui varient différemment selon la source de carbone. Parmi ces protéines, 67 biomarqueurs ont été identifiés par approche statistique.Ces travaux constituent un point de départ prometteur pour de futures études sur le rôle de la succinylation de la lysine et d'autres PTMs chez P. aeruginosa. / Pseudomonas aeruginosa PA14 is a multi-drug resistant human pathogen largely involved in nosocomial infections. Unfortunately, today, effective antibacterial agents lacked. Explore its physiology at the post-translational modification (PTMs) level may contribute to the renewal of combat tactics. Indeed, some correlations between PTMs and the bacterial virulence, adaptation and resistance have been shown. The recent improvements in proteomics have increased the number of modified proteins. However, their characterization believes a real challenge.In the first part, we focused on the impact of kinases and phosphatases on bacterial physiology of P. aeruginosa PA14. For this purpose, we compared different phenotypes of 8 mutants of kinase and phosphatase with the WT strain. Unfortunately, no difference was observed.In the second part, we characterized the lysine succinylome and acetylome in P. aeruginosa PA14 in 4 carbon sources (glucose, citrate, succinate and glutamate) by mass spectrometry. Overall, a total of 1 530 succinylated sites (617 proteins) and 1 109 acetylated sites (526 proteins) were identified. Interestingly, we noticed that 622 sites (312 proteins) can be either acetylated or succinylated on the same lysine. This reveals the existence of proteoforms for a same protein. As expected, many modified proteins are involved in a wide range of biological processes but some of these proteins have interesting functions like antibiotic resistance, chemotaxis and virulence.We also tried to quantify succinylated and/or acetylated peptides in the 4 carbon sources. Succinylated peptides were mainly over-represented in the citrate condition whereas no significant difference was observed for the acetylated forms.In the third part, we investigated the lysine succinylome and acetylome of P. aeruginosa in extracellular compartment by immunoprecipitation. We showed that some lysines of two virulence factors, LasB and CbpD, were modified by 9 different PTMs. We also used a 2-dimensional gel approach to reveal and quantify proteoforms of extracellular proteins and more specifically virulence factors. In the fourth part, we did a label-free quantitative approach to obtain protein abundance in each carbon source. In total, 581 proteins vary differently depending on the carbon source. Among these proteins, 67 biomarkers were identified by statistical approach.This work is a promising starting point for further investigations on the biological role of lysine succinylation, and others PTMs, in P. aeruginosa.

Les céramides sont des lipides de la classe des sphingolipides issus de la N-acylation d'une base sphingoide par un acide gras. Ces lipides et leurs analogues suscitent un grand intérêt comme composants actifs dans les industries pharmaceutique et cosmétique. Parmi les biocatalyseurs capables de réaliser la synthèse de ce type de lipide, la lipase B de Candida antarctica semble être l'enzyme la plus adaptée à la production de " pseudo-céramides " à partir d'amino-polyols. Dans ce contexte, nous avons abordé l'étude de l'acylation de composés de type " amino-alcool "catalysée par la lipase B de Candida antarctica, en gardant à l'esprit une approche fondamentale afin d'élargir les connaissances actuelles sur ce sujet. La première partie de notre travail a ainsi traité de l'étude cinétique de l'acylation de composés monofonctionnels afin de déterminer les mécanismes réactionnels et l'énantio sélectivité de la lipase B de Candida antarctica pour les réactions de N-acylation et de O-acylation. Les parties suivantes de notre travail ont porté sur une étude structure-réactivité du substrat accepteur d'acyle et sur l'étude de l'influence du solvant utilisé (solvant organique ou liquide ionique) afin de déterminer les facteurs clés influençant la chimio sélectivité et la régio sélectivité de la lipase B de Candida antarctica lors de l'acylation de composés multifonctionnels de type " amino-alcool ". Finalement, à partir des connaissances acquises dans les différentes parties, nous avons développé et optimisé un procédé de synthèse enzymatique de " pseudo-céramides " (O,N-diacyl aminopropanediols) mis en oeuvre en réacteur continu à " lit fixe ".