Ce mémoire présente la synthèse et les études d'autoassemblage de peptides ayant la propriété de s'autoassembler. Ces études ont pour objectif principal de comprendre le processus qui régit l'autoassemblage des nanostructures protéiques de dimensions définies. Nous avons choisi de réaliser ces études d'autoassemblage à partir des peptides amphiphiles, neutres de type (LSLLLSL)3 et (LSSLLSL)3. Dans les quinze dernières années, plusieurs travaux, entre autres du Professeur W.F. DeGrado, démontrent que ces peptides ont la propension à s'autoassembler dans les milieux hydrophobes. Le premier chapitre porte sur les nanostructures protéiques autoassemblantes naturelles et artificielles. Ce chapitre suscite un questionnement sur les règles et les propriétés permettant le processus d'autoassemblage moléculaire. Le deuxième chapitre traite des études antérieures réalisées sur les peptides hélicoïdaux (LSLLLSL)3 et (LSSLLSL)3 communément appelé LS2 et LS3 dans la littérature. Le troisième chapitre décrit les différentes voies de synthèse des dérivés fluorescents LS2 et LS3 dans le but de faire des études d'autoassemblage. Finalement, les chapitres 4, 5 et 6 portent principalement sur la caractérisation de nos peptides fluorescents par dichroïsme circulaire, par fluorescence et par microscopie à force atomique.

La dualité hydrophobe/hydrophile des molécules amphiphiles est à l’origine de leur autoassemblage en solution, sous forme de nombreuses structures supramoléculaires, telles que les micelles. Ce travail de thèse présente la formation, la caractérisation et l’étude de nouvelles micelles diacétylèniques photopolymérisables. Une première partie décrit ainsi lasynthèse de nouvelles micelles cationiques et l’étude de leur utilisation en tant qu’agent de transfert de gènes. Dans une seconde partie, nos travaux présentent l’étude de micelles polydiacétylèniques, porteuses de têtes polaires octaéthylèneglycol, comme potentiel système de délivrance de médicament. Les propriétés d’encapsulation de ces micelles ont été évaluées en présence d’un dérivé fullerène fluorescent. Puis, l’incorporation d’une sonde membranaire dans leur couronne lipophile a permis de réaliser une étude de leurs propriétés de délivrance in vitro. Une étude préliminaire de leur biodistribution in vivo a également été réalisée par tomographie à émission monophotonique grâce à la chélation d’un isotoperadioactif sur la surface des micelles. Enfin une dernière partie présente l’analyse de deux nouveaux auto-assemblages tubulaires obtenus au cours de nos travaux. / The hydrophobic/hydrophilic duality of amphiphilic molecules is at the origin of their selfassembly in solution, into many supramolecular structures such as micelles. This thesis presents the formation, characterization and study of new photopolymerizable diacetylenic micelles. The first part describes the synthesis of new cationic micelles and the study of theiruse as gene transfer agent. In the second part, our work presents the study of polydiacetylene micelles, bearing polar heads octaétylèneglycol as potential drug delivery system. The encapsulation properties of these micelles were first evaluated in the presence of a fluorescent fullerene derivative. Then, the incorporation of a membrane probe in their lipophilic shell has allowed a study of their in vitro delivery properties. Finally a study of their in vivo biodistribution was also carried out by single photon emission tomography through the chelation of a radioactive isotope on micelle surface. Finally the last part presents theanalysis of two new tubularself-assemblies, obtained during our work.

Ce travail de thèse PhD concerne l'application d'une approche intégrée pour obtenir une meilleure compréhension des mécanismes d'action de Akt et CXCR4, surexprimées dans différents cancers humains. Efforts récents dans le développement et l'évaluation biologique (activité antiproliférative) de petites entités moléculaires inhibitrices d’Akt, une sérine/thréonine protéine-kinase, ont conduit à l'identification de nouveaux inhibiteurs pyrrolo[1,2-a]quinoxaline, conçus et préparés via une stratégie multi-étapes. Certains des composés synthétisés ont montré une activité contre les lignées cellulaires leucémiques testées (Jurkat, U266, K562, U937 et HL60) supérieure à celle de composé de référence A6730. En outre, des résultats préliminaires menés sur Akt puis sur le domaine de PH isolé d’Akt, ont montré que ils peuvent être considérés comme des inhibiteurs allostériques potentiels. La seconde partie des travaux concerne la conception et la synthèse de deux nouvelles séquences peptidiques contenant quelques acides aminés "disorder promoting" et une unité CPC. Les études CD, RMN et MD ont fait ressortir leur flexibilité et ont démontré leurs capacités à assumer des ensembles de conformations stabilisées par un réseau de liaisons hydrogène. Ensuite, nous avons étudié l'effet de la chaîne alkyle reliée sur la conformation des peptides. Des études de fluorescence et DLS ont été réalisées pour évaluer les CMC et la dimension des agrégats supramoléculaires. Les tests biologiques ont souligné que ces édifices moléculaires (peptides amphiphiles nommés, PAs) montrent ainsi des activités prometteuses, voire plus que la molécule de référence (AMD3100). / This PhD thesis work has been covered in the application of an integrated approach to get a better understanding about the mechanism of action of two systems: Akt and CXCR4, proteins overexpressed in different human cancers. On the basis of previous results obtained on the antiproliferative activities of small molecule inhibitors of Akt, a serine/threonine protein kinase, a novel series of pyrrolo[1,2-a]quinoxaline derivatives have been designed and synthesized via multistep heterocyclization process. Some compounds showed promising activities against all leukemia cell lines tested (Jurkat, U266, K562, U937 and HL60), even better than the reference compound (A6730) one. In addition, docking results, conducted on the isolated PH domain, showed that these new compounds could be considered as allosteric inhibitors. The second workpackage reports on the design and the synthesis of two new peptidic sequences containing a few amino acids “disorder promoting” and a CPC unit, the CXCL12 binding motif towards CXCR4. The peptide structural preferences were analysed by CD, NMR and MD techniques that highlighted their flexibility and demonstrated the ability of these peptides to assume conformational ensembles stabilized by a network of transient and dynamic H-bonds. Afterwards we studied the alkyl chain effect on the conformation of the peptide portion. Solution fluorescence and DLS studies have been performed to evaluate CMC and the dimension of supramolecular aggregates (named peptide amphiphiles, PAs). Biological tests pointed out that these molecular buildings show promising activities, even higher than the reference molecule (AMD3100) one.

Contrôler les forces supramoléculaires et chirales a toujours été un défi pour la communauté scientifique. Dynablocks sont amphiphile basés sur des liaisons covalentes réversibles (imine) qui, dans l’eau, s’auto–assemblent en mésophases. Avec un nouveaux aldéhydes chargés et avec divers types d'amines (pKa et chaînes de PEG variables) dynablocks chargées ont été utilisés pour ajuster les surfaces micellaires (inversion noyau/coquille). Nous avons également étudié les propriétésd'auto-réplication (autopoiesis) et leur intérêt pour les premiers réplicateurs de la Terre prébiotique. Dynablocks non chargés ont plutôt été utilisés pour l'étude des structures à haute concentration et pour l’amplification chirale. Dans ce dernier,peptides amphiphiles dynablocks agissaient comme gelators avec une matrice formée d’un réseau 3D entrelacé. Une torsion supramoléculaire a été observée et une amplification chirale au niveau de la morphologie des structures a pu être détectée par AFM et TEM. / Taking the control over supramolecular and chiral forces has always been a challenge for the scientific community. Dynablocks are amphiphiles based on reversible imine covalent bond that, in water, self-assemble in mesophases. With a new charged aldehyde, charged dynablocks were used to tune the surface of the assemblies directing the charged heads inward or outward, changing the PEG units and the pKa of the amines. Moreover, we continued the study on focusing the interest on self-replicating properties (autopoiesis), topic that provides insights for the first replicators that could have appeared in the prebiotic Earth. Non-charged dynablocks were instead employed for the study of structures in high concentration and for chiral amplification. In this latter, peptide amphiphilic dynablocks acted as gelators with a typical 3D intertwined network matrix. A supramolecular twist was observed and a chiral amplification in the structures morphologies was detected in AFM and TEM pictures.

Ce projet consiste à fabriquer et à étudier des micelles à la fois biocompatibles et capables de relarguer des molécules volatiles bioactives à partir d’une solution aqueuse sous l’influence de stimuli extérieurs tel que le pH, la température ou la concentration. Pour atteindre ce but, nous avons étudiés un nouveau type d’objets micellaires qui sont formés par l’auto-assemblage d’amphiphiles covalents dynamiques (DCAs), des surfactants peu onéreux formés de l’association moléculaire réversible d’un bloc hydrophile et d’un bloc hydrophobe. Ces systèmes peuvent relarger une large gamme de fragrances à partir d’une solution, que cela soit à partir du coeur hydrophobe de la micelle ou alors à partir de l’amphiphile (profragrance). Ils ont aussi été capables de stabiliser en solution des aldéhydes sensibles à l’hydrolyse. / This project relies on the simple design and the study of biocompatible responsive micelles, capable of releasing a hydrophobic bioactive volatile from an aqueous solution and that, depending on the modulation of external factors such as pH, temperature, and concentration. To reach this goal, we have taken advantages of a new kind of micellar objects that are formed by the efficient self-assembly of biodegradable Dynamic Covalent Amphiphiles (DCAs), low cost surfactants that are made by the reversible molecular association of one hydrophilic and one hydrophobic block. These systems can release a broad variety of fragrances from solution, both from the hydrophobic micellar core or directly from the amphiphile (profragrance). It also proved able to stabilise some sensitive aldehydes in solution.

Nous avons étudié les comportements dynamiques d'auto-assemblage des tensioactifs cationiques non-chiral en présence du contre-anion chiral.Lorsque le nucléotide anionique chiral est ajouté à des vésicules cationiques, la transition morphologique se produit et transforme in situ des vésicules sphériques en hélices micrométriques.D'autres types de Gemini tensioactifs cationiques forment des rubans nanométriques hélicoïdaux, en présence de tartrate contre-anions. La forme et l'hélicité de ces rubans peuvent être contrôlés in situ par la variation de l'excès énantiomérique.En outre, les nanohélices organiques peuvent être transcrite en nanohélices 3D de silice via une polycondensation sol-gel.Ces nanohélices de silice fonctionnalisées avec des groupes aminés peuvent interagir fortement avec des nanoparticules d'or (GNPs; 1 ~ 20 nm). Le réseau 3D de -nanohélices GNPs/silice sont potentiellement utilisables pour des applications de capteurs basée sur les SERS comme ceux chimiques et biologiques ultra-sensibles en phase liquide. / We have studied the dynamic self-assembly behaviors of non-chiral cationic surfactants in thepresence of chiral counter-anion.When the chiral anionic nucleotides are added to cationic vesicles, morphology transitionoccurs and spherical vesicles transform in situ to micrometric helices.Other types of cationic surfactant, gemini surfactants form nanometric helical ribbons in thepresence of tartrate counter-anion. The shape and helicity of these self-assembled structurescan be controlled in situ by the variation of enantiomeric excess.In both cases, they form gels in water by creating extended networks of nanometric tomicrometric chiral fibers.Additionally, the organic nanohelices can be transcribed to 3D silica nanostructures via solgelpolycondensation. These silica nanohelices functionalized with amino group can interactstrongly with gold nanoparticles (1 ~ 20 nm). The 3D network of GNPs/silica-nanohelices canpotentially be used for SERS-based sensing applications such as ultra-sensitive chemical andbiological sensors in liquid phase.

L’objectif de cette thèse est d’étudier la synthèse et les propriétés d’auto-assemblage en milieu aqueux de copolymères « intelligents » capables de former des agrégats supramoléculaires en réponse à deux stimuli : la température du milieu et la présence de dioxyde de carbone (CO[indice inférieur 2]). Pour cela, une gamme de copolymères diblocs amphiphiles composés d’un bloc hydrophile d’acrylate de polyethylèneglycol méthyléther) (PEGA) et d’un bloc stimulable contenant une distribution statistique d’unités PEGA et acrylate de diéthlèneglycol éthyléther (DEGA) (thermosensibles) et acrylate de diéthylaminoéthyle DEAEA (CO[indice inférieur 2]-sensible), a été préparée par polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes (NMP). Dans un second temps, il a été mis en évidence que la température ainsi que la présence de CO[indice inférieur 2] dans la solution influencent le comportement auto-associatif des copolymères dans l’eau. Par la suite, le bloc hydrophile a été remplacé par une séquence de dextrane, ce qui a permis de préparer de nouveaux copolymères diblocs fonctionnels, stimulables par la température et le CO[indice inférieur 2]. Dans ce cas, deux techniques de polymérisation radicalaire contrôlée (NMP et ATRP) ont été testées afin d’obtenir les copolymères possédant l’architecture la mieux définie possible.

Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: The creation of nanometer-scale (nanoscale) materials has fascinated and inspired the scientific community for more than a quarter of a century because of the wide range of applications of these materials, e.g. applications in drug delivery, medicine, tissue engineering, memory storage, display and audio devices, semiconductors, etc. π-Conjugated dendrimers have a proposed flat packing arrangement. An alternating phenyl isoxazole dendrimer system was developed to investigate this phenomenon. The synthesis of this dendritic system was attempted by divergent and convergent approaches. Preparation of the second generation failed because some functional groups inhibited the monomers to react to the first generation. Other examples of nano materials that have attracted a vast amount of interest are the so-called discotic amphiphiles. Discotic amphiphilic molecules have the potential to self-assemble into helical architectures. Discotic systems bearing chiral polar side chains (one and three respectively) were developed. Their self-assembly was investigated in variable concentration and variable solvent composition experiments. These systems did show signs of aggregation in UV-vis and CD spectroscopy experiments. Thread-like helical structures were observed with transmission electron microscopy. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Nanometer-skaal materiale inspireer en fassineer wetenskaplikes al vir meer as 25 jaar as gevolg van hulle wye verskeidenheid toepassings bv.: die vervoer van geneesmiddels, weefsel ontwerp, geheue stoorspasie, digitale skerms, klank toerusting, geleiers, ens. π-Gekonjugeerde dendrimere het 'n plat drie dimmensionele rangskikking. 'n Afwisselende feniel isoxazole dendrimer stelsel was ontwikkel om hierdie verskynsel te ondersoek. Die sintese van hierdie dendritiese stelsel is aangepak deur divergerende en konvergerende benaderings. Sintese van die tweede generasie het misluk omdat sommige funksionele groepe die monomere geïnhibeer het om te reageer met die eerste generasie. Ander interessante voorbeelde van nano materiale, is die sogenaamde skyfvormige amphiphiles. Skyfvormige amphiphiles het die potensiaal om spontaan te versamel in heliese strukture. Skyfvormige molekules met chirale polêre sykettings (een en drie onderskeidelik) is ontwikkel. Hulle potensiaal om spontaan te versamel is ondersoek met wisselende konsentrasie en wisselende oplosmiddel samestelling eksperimente. Hierdie stelsels het tekens van versameling gewys in UV-vis en CD-spektroskopiese eksperimente. Staaf-vormige heliese strukture is waargeneem met transmissie-elektronmikroskopie.

Every cell is enclosed by a membrane which gives structure to the cell and allows for the passage of nutrients and wastes into and out of the cell. Membranes are made up of amphiphilic lipid molecules, with one water-soluble end, and one hydrophobic end. Naturally occurring and synthetic membranes are made up of double-chained amphiphiles derived from hydrocarbons. Recently, a novel class of amphiphilic molecules derived from fluorocarbons have been reported. The properties of fluorinated amphiphiles are very different to that of hydrocarbon based amphiphiles. Fluorinated amphiphiles have been previously reported to be useful in the studies of membrane proteins. In this thesis, we explore some novel uses of fluorinated amphiphiles. <b>Chapter one</b>: Provides a comprehensive review of the properties of fluorocarbon-based amphiphiles and discusses the existing uses of fluorinated amphiphiles in biochemical and biomedical research. <b>Chapter two</b>: Describes some of the important materials and methods used in this thesis including a detailed description of the proteins used and the working principles behind the techniques used in the study. <b>Chapter three</b>: Looks at the stability of pre-formed planar lipid bilayers in the presence of fluorinated amphiphiles (F-amphiphiles), and characterizes the behaviour of alpha-haemolysin and other proteins in liposomes and planar lipid bilayers in the presence of F-amphiphiles. We found that F-amphiphiles have an inhibitory effect on the insertion of protein into lipid bilayers, and this property has been exploited to control the number of proteins in the bilayer. <b>Chapter four</b>: Using droplet interface bilayers, we investigate the electrical properties and behaviour of protein(s) in bilayers formed by F-amphiphiles. The results obtained with fluorinated bilayers are compared with results obtained in conventional DPhPC lipid bilayers. This is the first ever report to carry out such an investigation and it provides insights into the formation, stability and utility of fluorinated bilayers. <b>Chapter five</b>: In Chapter five, we explore another aspect of droplet interface bilayers: the feasibility of using droplet interface bilayers to screen for membrane protein libraries. I have chosen to focus on certain fundamental aspects of the screening process that are sufficient to establish the feasibility of the method and to act as the proof of concept. <b>Chapter six</b>: Summarizes all the important results in the thesis and discusses some possible future directions of this project.

La polymérisation anionique d’éthers cycliques par activation du monomère amorcée par des systèmes à base de sels d’ammonium associés à un trialkylaluminium a été étudiée. L’oxétane, le glycidol, l’oxyde de butène ainsi que des époxydes possédant une chaîne latérale aliphatique ou fluorée ont été (co)polymérisés de façon contrôlée permettant ainsi l’obtention de polyéthers de masses molaires élevées (>10 000 g/mol). La diversité des monomères polymérisables par cette voie a permis de synthétiser des polymères présentant des propriétés d’hydrophilie, d’hydrophobie ou encore de cristallinité. Des copolymères, à blocs ou statistiques, de type amphiphile ont ainsi pu être obtenus. En particulier, en jouant sur la réactivité relative de l’oxétane et de l’oxyde d’éthylène, des copolymères à blocs ont été préparés en une étape. Enfin, l’utilisation d’amorceurs fonctionnels a permis d’accéder à des polyéthers a,?-hétérodifonctionnels de type a-azido, ?-hydroxy, utilisables en tant que précurseurs de nouveaux matériaux polymères. / The anionic polymerization of cyclic ethers by monomer activation using initiating systems based on ammonium salts combined with a trialkylaluminum has been studied. Oxetane, glycidol, butene oxide and epoxides containing aliphatic or fluorinated side chains have been (co)polymerized in a controlled manner, leading to the synthesis of polyethers of high molar masses (>10 000 g/mol). The diversity of monomers that can be polymerized in this way allowed the control of several polymer properties such as hydrophily, hydrophoby or cristallinity. Various amphiphilic block and statistical copolymers have also been synthesized. Especially, based on the reactivity difference between oxetane and ethylene oxide, the synthesis of a block copolymer in one step has been achieved. Finally the use of functional initiators allowed us to prepare a-azido, ?-hydroxypolyethers useful as precursors for new polymeric materials.