La valorisation de la biomasse saccharidique pour la production de dérivés biosourcés d'intérêt est un enjeu important. La cellulose est le polysaccharide le plus abondant sur Terre et représente une source de matière première considérable. Dans ce travail, de nouveaux procédés de dépolymérisation de la cellulose pour l'obtention contrôlée de cellodextrines sont décrits. Ils proposent une approche alternative plus douce aux procédés de production actuels en privilégiant l'utilisation d'enzymes, et de liquides ioniques comme solvants alternatifs. Ce travail rapporte l'élaboration de deux méthodes d'obtention contrôlée d'oligosaccharides à partir de cellulose et de cellulose acétate par combinaisons successives d'hydrolyses acide et enzymatique. Ces procédés ont permis l'obtention de cellodextrines de tailles ciblées avec de bons rendements, et constituent une voie prometteuse pour la valorisation de la cellulose en dérivés biosourcés. La deuxième partie de ce travail consiste en la modification chimio-enzymatique des oligosaccharides de cellulose produits pour leur valorisation en biomolécules d'intérêt, plus particulièrement dans le domaine de l'agrochimie. Les cellodextrines sont utilisées en tant que base saccharidique pour la synthèse d'analogues de lipo-chitooligosaccharides comme potentiels fertilisants verts. Deux méthodes de préparation ont été élaborées à l'aide des glycoside-hydrolases comme outils de synthèse. Les stratégies développées permettent un accès efficace à la synthèse d'analogues et peuvent être adaptées pour la production d'autres molécules. / Valorisation of biomass is a timely challenge and its bio-conversion raises a growing interest from academics and industrials. Cellulose is the most abundant biopolymer on Earth and offers a wide range of applications including value added bio-derived compounds. In this work we report the design of new methods to produce cellodextrins from cellulose and from cellulose acetate, by a combination of successive hydrolyses. These strategies imply the use of ionic liquids and enzymes to perform the depolymerisation. They represent a soft alternative to the current processes of production. The controlled hydrolysis of cellulose was realised in two steps involving first the partial fragmentation of cellulose in ionic liquids by acid catalysis. Then, the selective hydrolysis of those cellulose fragments was performed by an endoglucanase to produce the targeted sizes of cellodextrins. The second method deals with the depolymerisation of water soluble cellulose acetate by enzymatic hydrolysis. Those two methods have led to the controlled production of cellodextrins of interest, with significantly improved yields. In the second part of this work, cellodextrins were used as building block for the synthesis of analogs of lipo-chitooligosaccharides as potential natural fertilizers. Several chemo-enzymatic routes were investigated to produce these biomolecules, and two methods of synthesis were elaborated using glycoside-hydrolases as coupling tools. Those methods offer an easy access to analogs and can be adapted for the production of further molecules.

Une organisation contrôlée de la porosité offre l’opportunité de combiner les avantages structuraux des macropores (diamètres supérieures à 50 nm), assurant l’intégrité et l’interconnectivité de l’ossature du matériau, avec ceux des pores plus étroits (méso- et micropores), déployant des surfaces spécifiques réactives importantes. L’élaboration de telles architectures, dites « hiérarchisées », à l’échelle du laboratoire représente un véritable défi physico-chimique. Dans ce contexte, ce travail de thèse s’intéresse à l’élaboration de matériaux poreux fonctionnels avancés, s’inscrivant dans le concept de chimie intégrative, en combinant matière molle (mésophases lyotropes, émulsions directes concentrées, auto-assemblages organique-organique, etc.), procédé sol-gel, polymérisation organique et principe de l’empreinte « dure ». Dans une première approche générale, des monolithes hybrides macrocellulaires à base de silice ont été fonctionnalisés par greffage covalent post-synthèse ou par co-condensation de précurseurs organosilanes appropriés. Dès lors, l’encapsulation de complexes luminescents (ions europium), de catalyseurs métalliques piégés dans une phase liquide ionique supportée (sels ou nanoparticules de palladium), ou d’entités biologiques (enzymes hydrosolubles : lipases) a offert une modulation rationnelle des propriétés optiques, catalytiques ou biocatalytiques induites in fine. Dans une seconde approche générale, l’utilisation de monolithes de silice macrocellulaires comme empreintes dures « sacrificielles » a permis la genèse de composés carbonés poreux, associée à un contrôle structural sur plusieurs échelles. Dès lors, une surface spécifique développée et une porosité hiérarchisée, conjuguées à des propriétés intrinsèques opportunes (stabilités thermique et chimique, conductivité électrique), ont offert un large champ d’applications, comme électrodes pour systèmes de stockage de l’énergie électrochimique (batteries Li-ion et condensateurs à double couche électrochimique), sites de nucléation de borohydrures de lithium (LiBH4) pour le stockage de l’hydrogène, ou encore comme électrodes enzymatiques pour biopiles. / Mainly induced by the wide scope of expected applications, designing hierarchical porous architectures appears today as a strong and competitive field of research. The opportunity to combine the structural advantages of both macropores (diameters larger than 50 nm), providing interconnected framework while reducing the diffusion low kinetic issue, with those of the more narrow pores (meso and micropores), generating high surface reactive areas, has induced a need for novel synthetic routes to achieve hierarchical structures. In this view, by combining soft mater (lyotropic mesophases, concentrated direct emulsions or organic-organic self-assemblies, etc.), sol-gel process, organic polymerization and hard-template approaches, we have generated new functional porous materials, fitting with the transversal integrative chemistry concept. In a first general approach, organically grafted silica foams have been designed, either by a grafting method or a one-pot co-condensation route of organosilane derivatives, to encapsulate luminescent complexes (europium ions), metallic catalysts entrapped into supported ionic liquid phase (palladium salts or nanoparticules) or bio-related entities (water-soluble enzymes: lipases), dealing with promising optical, catalytic or biocatalytic properties. In a second synthetic pathway, using siliceous foams as “sacrificial” hard templates, carbonaceous foams have been obtained addressed through a structural design over several length scales. Due to inherent high surface area, chemical inertness, thermal stability and good conductivity, this new foams series has offered a large field of applications, such as electrodes for electrochemical energy storage devices (Li-ion batteries and electrochemical double-layer capacitors), host sites for hydrogen storage through LiBH4 nucleation, as well as advanced porous electrodes for enzyme-based biofuel cells.

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 ». / Ceramides are lipids from the sphingolipide class derived from the N-acylation of a sphingoid base from a fatty acid. These lipids and their analogs are compounds of interest used as active components in pharmaceutical and cosmetic industries. Among biocatalysts able to synthesize this type of lipids, Candida antarctica lipase B appears to be the most appropriate enzyme for the production of "pseudo-ceramides" derived from amino-polyols. In this context, we have studied the acylation of amino-alcohol-like compounds catalyzed by Candida antarctica lipase B, keeping inmind a fundamental approach to expand the current knowledge on this subject. The first part of our work aimed to determine the reaction mechanisms and the enantio selectivity exhibited by Candida antarctica lipase B during O-acylation and N-acylation reactions, by conducting a kinetic study of mono functional compound acylation. In the following parts of our work, we performed a structurere activity study of the acyl acceptor substrate and evaluated the effect of the solvent used (organic solvent or ionic liquid) to determine the key factors influencing the chemo selectivity and the regio selectivity of the Candida antarctica lipase B-catalyzed acylation of polyfunctional amino alcohol compounds. Finally, starting from the knowledge acquired in the previous parts, we have developed and optimized an enzymatic process of “pseudo-ceramide” (O,N-diacylaminopropanediol) synthesis performed in a continuous packed-bed reactor.

L'oxydation de Baeyer-Villiger (BV) par voie enzymatique est une méthode efficace pour obtenir de lactones sous forme énantiomériquement pure. Les Baeyer-Villiger Monooxygénases (BVMO) sont ainsi capables d'oxyder de nombreux substrats avec une stéréospécificité remarquable.Nous avons recherché de nouvelles enzymes dans le génome de deux souches appartenant au genre Acinetobacter, A. baylyi ADP1 et A. baumannii AYE. Six gènes ont été clonés dans E. coli. Leur profil de substrat a été étudié en utilisant des cellules entières de ce microorganisme recombinant comme biocatalyseur. Quatre enzymes ont montré une spécificité de substrat similaire, avec une préférence pour les petites cétones cycliques et pour les substituants aryliques. Une de ces enzymes a permis le Dédoublement Cinétique Parallèle Régiodivergent d'une bicyclohepténone et la désymétrisation de cyclobutanones benzyliques avec, dans chaque cas, une énantiosélectivité intéressante car conduisant à des énantiomères rarement obtenus par réaction de BV enzymatique.Dans une seconde partie, des Dédoublements Cinétiques Dynamiques, associant réaction de BV enzymatique et racémisation in situ ont été réalisés avec des cellules entières d'E. coli produisant la Cyclohexanone Monooxygenase (CHMO) issue d'A. calcoaceticus. La racémisation de cyclohexanones α-substituées, habituellement difficilement racémisables, a été assurée par l'emploi de solutions tampons à base de sels de phosphate ou de glycine. Les -caprolactones correspondantes ont été isolées sous forme d'esters méthyliques hydroxylés quasi énantiopurs avec des rendements compris entre 70 et 80%. / Enzyme-mediated Baeyer-Villiger oxidation is nowadays largely recognized as an efficient method to obtain highly optically active lactones. An increasing number of Baeyer-Villiger Monooxygenases from various sources has been found to oxidize a large range of substrates with a good to excellent stereospecificity.Firstly, in order to enlarge the scope of these biotransformations, the genome of two strains of the Acinetobacter genus, A.baylyi ADP1 and A.baumannii AYE was explored. Six genes were expressed in E. coli and the substrate profile of each enzyme was studied using whole cell biotransformations. Four enzymes showed close substrate specificity with a preference for small cyclic ketones and for arylic substituents. Interestingly, one enzyme led to a Kinetic Parallel Regiodivergent Resolution of a bicycloheptenone and desymmetrisation of benzylic cyclobutanones in an enantiocomplementary manner when compared to the most of already known enzymes.The second part of this work describes the implementation of Dynamic Kinetic Resolution processes combining enzymatic BV oxidation and in situ racemization of α-substituted cyclohexanones to afford corresponding lactones in more than 50% yield. Cyclohexanone Monooxygenase (CHMO) from another Acinetobacter strain, A. calcoaceticus, was selected and the reactions were carried out with whole cells of producing CHMO E. coli strain. The racemization of α-substituted cyclohexanones, usually slowly racemized under basic conditions, was ensured by the use of containing phosphate salts or glycine buffer solutions. Several corresponding -caprolactones were isolated after methylation as enantiopure hydroxy methyl esters in 70-80% yield.

Ce travail développe différentes stratégies pour la synthèse énantiosélective de sesquiterpènes naturels à partir de chirons obtenus par biocatalyse. La première partie est consacrée aux premières synthèses énantiosélectives de la kopéoline, et de la kopéolone. La synthèse de la structure décrite de la kopéoline est réalisée, les composés ont été entièrement caractérisés. Les résultats montrent que les structures reportées n'ont pas été correctement assignées, et suggèrent une mauvaise attribution des stéréocentres au cours de l'isolement des produits naturels. Ainsi, deux nouvelles structures sont proposées. Les synthèses totales de ces deux dernières structures ont également été réalisées et ont permis de confirmer la révision structurelle et de caractériser complètement ces produits naturels tout en élucidant leurs configurations absolues inconnues jusqu'alors.La seconde partie aborde la synthèse du siphonellinol D selon une méthodologie convergente d'une partie Est et d'une partie Ouest. Les deux énantiomères d'un chiron ont été obtenus par dédoublement cinétique enzymatique avec des rendements élevés et d'excellentes énantiosélectivités. À partir de l'énantiomère (1S, 6R), la synthèse de la partie Est est rapportée. Malheureusement, une première méthodologie employant l'énantiomère (1R, 6S) n'a pas permis l'obtention de la partie bicyclique Ouest. Une seconde méthodologie utilisant le géraniol comme substrat a permis l'accès à la partie Ouest du siphonellinol D sous forme racémique. Une réaction de couplage entre ces deux parties a été réalisée avec succès permettant d'envisager de manière optimiste la synthèse du siphonellinol D par ce chemin synthétique. / This work deals with different strategies used in the course of the enantioselective synthesis of natural sesquiterpenes starting from an enantiopure building block obtained by biocatalysis. The first part is dedicated to the first enantioselective syntheses of kopeolin, and kopeolone. The synthesis of kopeolin was achieved and compounds have been fully characterized. The results showed that the reported structures were not assigned correctly, and suggest an initial structural misassignment during the isolation of the natural products. Thus, two new structures for kopeolin and for kopeolone are proposed. The enantioselective total syntheses of these two proposed structures have been achieved and permitted to confirm the structural revision and to fully characterize these natural products while elucidating their hitherto unknown absolute stereochemistries.The second part is dedicated to the synthesis of siphonellinol D with a convergent methodology of the Eastern part and the Western part. Both enantiomers of this building block were obtained by an enzymatic kinetic resolution in high yields and excellent enantioselectivities. Starting from the (1S, 6R) enantiomer, the synthesis of the Eastern part of Siphonellinol D is reported. Unfortunately, a first methodology using the use of the (1R, 6S) enantiomer failed. A second methodology using geraniol as starting material led to the racemic Western part of siphonellinol D. A coupling reaction were successfully performed allowing us to consider the synthesis of siphonellinol D by this synthetic pathway as optimistic.

La transcétolase (TK, EC 2.2.1.1) est une enzyme catalysant la formation de cétoses de configuration D-thréo à partir d’aldéhydes α-hydroxylés (2R), par formation stéréospécifique d’une liaison C-C. L’objectif de ces travaux est d’inverser l’énantiosélectivité de cette enzyme par ingénierie afin d’obtenir des cétoses L-érytho (recherchés pour leurs applications potentielles dans les domaines pharmaceutique et/ou nutritionnel) à partir d’aldéhydes α-hydroxylés (2S). Dans ce but, une TK thermostable (mTKgst) issue de la bactérie thermophile Geobacillus stearothermophillus a d’abord été identifiée et produite. L’étude de sa structure tridimensionnelle a permis d’identifier deux résidus du site actif ayant un rôle potentiel dans l’inversion de son énantiosélectivité : Leu382 et Asp470. Des banques demTKgst mutées ont alors été créées, selon deux stratégies : rationnelle et semi-rationnelle. La première a consisté à muter les deux résidus sélectionnés par mutagenèse par saturation de site, tandis que la seconde a consisté à modifier deux séquences de cinq résidus contigus à aux positions clés, selon la mutagenèse par cassette. Afin d’identifier les mTKgst mutées d’intérêt, un test de criblage à haut-débit a été mis au point, basé sur le suivi pH-métrique de la réaction en présence de rouge de phénol. A l’issue du criblage, le variant mTKgst-L382D/D470S a été mis en évidence. Son activité vis-à-vis d’un aldéhyde modèle de configuration (2S) a été augmentée d’un facteur 5 par rapport à l’enzyme sauvage et la perte de l’énantiosélectivité vis-à-vis desaldéhydes (2R) a été confirmée. / Transketolase (TK, EC 2.2.1.1) catalyzes the formation of D-threo ketoses from (2R)-α-hydroxyaldehydes by the stereospecific formation of a C-C bond. Our aim was to invert the enantioselectivity of TK by protein engineering in order to obtain L-erytho ketoses (sought after for their potential pharmaceutical and/or nutritional applications) from (2S)-α-hydroxyaldehydes. For that purpose, a thermostable TK from thermophilic bacterium Geobacillus stearothermophilus (mTKgst) has been identified and overexpressed. After the study of the 3D-structure of mTKgst, two residues located in its active site (Leu382 and Asp470) were selected as mutation targets for the inversion of the enzyme’s enantioselectivity. Both rational and semi-rational approaches were considered for the construction of the mutant mTKgst libraries. In the former, the two residues were modified by site-saturation mutagenesis. In the latter, short sequences of five amino acids, neighboring target ones, were modified using a cassette mutagenesis technique. A novel continuous pH-based assay has been developed for the high-throughput screening of the mTKgst libraries, using phenol red as pH indicator. The screening revealed mTKgst-L382D/D470S as the top mutant, showing a 5-fold activity improvement towards a model (2S)-hydroxyaldehyde and the loss of enantioselectivity towards the (2R)-aldehyde.

Le but de ma thèse a été de concevoir des matériaux chimio-mécano répondants, des matériaux capables de permettre une transformation chimique réversible lorsqu’ils sont soumis à un stress mécanique. Tous les systèmes conçus ont été développés sur des substrats en silicone. Une première approche a consisté à créer des surfaces à sites cryptiques où une biotine est enfouie dans des brosses de chaines de poly(éthylène glycol). Le système streptavidine/biotine a été utilisé comme modèle. Ces surfaces sont anti-adsorbantes à la streptavidine sauf lorsqu’elles sont étirées à 50% où la biotine est reconnue mais les surfaces sont non réversibles. Dans une seconde approche, nous avons modifiés la surface du silicone par adsorption d’une multicouche de polyélectrolytes. Cette stratégie est basée sur la réticulation covalente du film par l’enzyme β-galactosidase modifiée. Nous sommes ainsi parvenus à créer une surface présentant une activité catalytique modulable par l’étirement mécanique, et ce, d’une façon partiellement réversible. Ce travail représente le premier exemple d’un système où une contrainte mécanique imposée à un matériau permet la déformation conformationnelle d’une enzyme et ainsi la diminution de l’activité catalytique. Dans une dernière approche, nous avons conçu un système mixte composé d’un substrat de silicone sur lequel un gel de polyacrylamide est greffée de façon covalente. Des enzymes ou des mécanophores pourront ainsi être inclus dans le réseau polymérique du gel de polyacrylamide et être étirés. Nous sommes parvenus à préparer de tels systèmes où l’hydrogel reste solidaire du film de silicone, sans apparition de craquelures jusqu’à 50%d’étirement. / The goal of my PhD was to develop new routes to design chemo-mechanoresponsive materials, materials that respond chemically to a mechanical stress, in a reversible way. All the systems designed during my PhD thesis were based on the functionalization of silicone sheets. First we created cryptic site surfaces by embedding biotin ligands into PEG brushes. The couple streptavidin/biotin was used as a model system. At rest, the surface so-prepared was antifouling and biotin ligands were specifically recognized by the streptavidin when the surface was stretched at 50%. Unfortunately, in this first approach, the mechanosensitive surface did not lead to a reversible process. In a second approach, we modified the silicone surface by using the polyelectrolyte multilayer (PEM) film deposition. This strategy was based on the covalent cross-linking of modified enzyme, the β-galactosidase, into the PEM. We succeeded in modulating the enzyme activity in the film under stretching and this approach appears as partially reversible under stretching/unstretching cycles. This work represents the first reported system where enzymatic activity can be modulated by stretching due to modulation of the enzyme conformation. In a last approach, we also designed a mixed system consisting of a silicone sheet onto which a polyacrylamide hydrogel is covalentlyattached with the goal to create a stretchable gel into which one can covalently attach enzymes or chemical mechanophores. These enzymes or mechanophores can thus be put under mechanical stress. We succeeded in creating a system that can be stretched up to 50% without detachment of the gel from the silicone and without inducing cracks in the gel.

Formés à partir de brins d’ADN ou d’ARN riches en guanines, les quadruplexes résultent de l’empilement de tétrades de guanines constituées chacune par l’auto-assemblage dans un même plan de quatre guanines, stabilisées entre elles par un réseau de liaisons hydrogènes. En s’inspirant de cet édifice naturel, il est présenté au long de ce manuscrit de thèse la synthèse et l’étude de molécules de type TASQ (pour template-assembled synthetic G-quartet) hydrosolubles capables de former de manière intramoléculaire une tétrade de guanines synthétique : les DOTASQ, le PorphySQ et le PNADOTASQ. La première application développée pour ces composés est le ciblage des quadruplexes d’ADN et d’ARN, présents dans des régions clefs du génome (télomères, promoteurs d’oncogènes) et du transcriptome (5’-UTR et TERRA), et dont la stabilisation par un ligand pourrait ouvrir de nouvelles perspectives en terme de thérapie antitumorale ciblée. Les résultats in vitro sont présentés et permettent de démontrer que les TASQ hydrosolubles développés sont des composés offrant une bonne sélectivité pour les quadruplexes mais surtout une excellente sélectivité grâce à un mode d’action bioinspiré basé sur une reconnaissance biomimétique. La seconde application mise au point est l’utilisation des TASQ comme catalyseurs pour des réactions de peroxydation : leur architecture même leur permet de mimer l’activité catalytique de l’ADN (ou DNAzyme) ainsi que celle de protéines (enzyme) comme la horseradish peroxidase. Ce processus est dépendant de la formation intramoléculaire de la tétrade de guanines synthétique et ouvre de nombreuses perspectives en terme d’utilisation en biologie ainsi qu’en nanotechnologie. / Natural G-quartets, a cyclic and coplanar array of four guanine residues held together via Hoogsteen H-bond network, have recently received much attention due to their involvement in G-quadruplex-DNA, an alternative higher-order DNA structure strongly suspected to play important roles in key cellular events (chromosomal stability, regulation of gene expression). Besides this, synthetic G-quartets, which artificially mimic native G-quartets, have also been widely studied for their involvement in nanotechnological applications (i.e. nanowires, artificial ion channels, etc.). In contrast, intramolecular synthetic G-quartets, also named template-assembled synthetic G-quartet (TASQ), have been more sparingly investigated, despite a technological potential just as interesting.In this way, we designed and synthesized three series of innovative hydrosoluble TASQ: DOTASQ (for DOTA-Templated Synthetic G-Quartet), PorphySQ (containing a porphyrin template) and the most effective PNADOTASQ where PNA-guanine arms replace native DOTASQ alkyl-guanine arms. We report herein the results of both DNA and RNA interactions (notably their selective recognition of quadruplex-DNA according to a bioinspired process) and peroxidase-like hemin-mediated catalytic activities (either in an autonomous fashion as precatalysts for TASQzyme reactions, or in conjunction with quadruplex-DNA as enhancing agents for DNAzyme processes). These results provide a solid scientific basis for TASQ to be used as multitasking tools for bionanotechnological applications.

Ces travaux de thèse pluridisciplinaires à l‘interface entre biocatalyse et nanomatériaux visent la conception de matériaux biohybrides innovants par assemblage dans des conditions douces de matériaux inorganiques de type hydroxydes doubles lamellaires (HDL) avec des enzymes. La première partie de ce mémoire est consacrée à la caractérisation des interactions physico-chimiques entre les HDL et la fructose-6-phosphate aldolase (FSA) catalysant la formation stéréosélective de liaisons C-C pour conduire à des polyols chiraux. Les structures lamellaires HDL permettent un confinement efficace de systèmes enzymatiques grâce à leur structure bidimensionnelle poreuse, leurs propriétés physico-chimiques favorables à l‘échange ionique et leur biocompatibilité. Différentes stratégies d‘immobilisation de la FSA dans des matrices d‘HDL ont été explorées, le taux d‘immobilisation et l‘activité biocatalytique étant fortement dépendant de la méthode d‘assemblage et de la nature des phases HDL. Le taux d‘immobilisation de l‘enzyme obtenu par coprécipitaton est supérieur à celui obtenu par adsorption. Dans une deuxième partie, un bioréacteur a été élaboré par un assemblage hiérarchisé constitué de la FSA, de nanoplaquettes d‘HDL et de billes de polysaccharide, ce dernier jouant le rôle de matrice macrostructurante. De façon notable, le taux d‘encapsulation de l‘enzyme dans la matrice macroscopique est amélioré lorsque le biocatalyseur est pré-encapsulé dans les nanoplaquettes d‘HDL. Ceci est attribué aux interactions électrostatiques favorables entre les chaînes de polysaccharide et les HDL, facilitant une charge de matière plus importante. L‘efficacité catalytique du bioréacteur obtenu et sa recyclabilité ont été démontrés. Dans la troisième partie de cette thèse, nous décrivons pour la première fois la conception de bionanoréacteurs enzymes@HDL par co-immobilisation de systèmes bi- ou tétra-enzymatiques dans les HDL permettant de réaliser des cascades multienzymatiques biomimétiques. L‘immobilisation des différentes enzymes prises séparément a d‘abord été optimisée afin de déterminer les conditions de co-immobilisation et de réaliser les cascades biocatalytiques en phase hétérogène. Ces bionanoréacteurs, dont nous avons démontré la recyclabilité, ont été appliqués pour la synthèse de sucres phosphorylés de série D. Enfin, une cascade multienzymatique a été conçue de novo en solution aqueuse et optimisée pour synthétiser différents sucres phosphorylés rares de série L. / This multidisciplinary thesis at the biocatalysis/nanomaterial interface perfectly aims at designing innovative biohybrid materials by the assembly of inorganic materials the Layered Double Hydroxides (LDH) with enzymes under mild conditions. The first part of this thesis is devoted to the characterization of physico-chemical interactions between the LDH and the fructose-6-phosphate aldolase (FSA) catalyzing the stereoselective C-C bond formation to provide chiral polyols. LDH structures allow the effective confinement of enzymatic systems thanks to their opened two-dimensional structure as well as their chemical surface properties at the nanoscale and their biocompatibility. The FSA immobilization in different LDH matrices by different methods was studied. Biocatalytic activity is highly dependent on the method of assembling, modulating the final amount of FSA. The retaining activity rate of co-precipitated material was higher than that obtained for the adsorbed enzyme. In a second part, a bionanoreactor was developed based on a hierarchized assembly of FSA, LDH nanoplatelets and polysaccharide beads acting as a macrostructuring matrices. Significantly, the encapsulated enzyme rate in the beads was improved when the biocatalyst was pre-encapsulated in LDH nanoplatelets. This is attributed to favorable electrostatic interactions between the polysaccharide chains and LDH, facilitating a higher catalyst loading. The catalytic efficiency of the prepared bioreactor and its recyclability were demonstrated. In the third part of this thesis, we describe for the first time the design of bionanoreactors ―enzymes@LDH‖ by co-immobilisation of two and four enzymes in LDH allowing biomimetic multienzymatic cascades. We first studied the immobilization of the different enzymes taken separately. Then we worked on the optimization of the biocatalytic cascades in heterogeneous phase. These bionanoreactors, for which we have shown the recyclability, have been applied to the synthesis of D-series phosphorylated sugars. Finally, a multienzymatic cascade was de novo designed in aqueous homogeneous solution. It was optimized for the synthesis of rare L-phosphorylated sugars.

La dihyrofolate réductase de type II R67 (DHFR R67) est une enzyme bactérienne encodée par un plasmide donc aisément transmissible. Elle catalyse la réaction de réduction du dihydrofolate (DHF) en tétrahydrofolate (THFA) essentiel pour la prolifération cellulaire. La DHFR R67 est une enzyme qui dépend du cofacteur NADPH. La DHFR R67 est différente, structurellement et génétiquement, de l’enzyme DHFR chromosomale présente chez tous les organismes et elle est résistante au triméthoprime (TMP) qui est largement utilisé dans les traitements antibactériens chez l’Homme. Aucun inhibiteur sélectif contre la DHFR R67 n’est actuellement répertorié. Le but de cette étude a été d’identifier des molécules qui pourront inhiber la DHFR R67 sélectivement, sans affecter la DHFR humaine (DHFRh). La vérification de la qualité des essais enzymatiques en conditions déterminées pour le criblage d’inhibiteurs sur plusieurs lectrices à plaques a identifié des appareils appropriés pour l’analyse. L’étude de l’activité enzymatique de la DHFR R67 et de la DHFRh en présence des solvants organiques et liquides ioniques (LIs), comme des co-solvants pour le criblage rationnel d’inhibiteurs, a montré que certains LIs peuvent servir de milieu alternatif pour les essais enzymatiques. Le criblage rationnel basé sur l’approche du design d’un inhibiteur à partir de petites molécules, a révélé des molécules primaires qui inhibent la DHFR R67 de façon faible, mais sélective. Le test des composés biologiquement actifs qui comprennent des petits fragments, a montré l’augmentation de l’affinité entre la DHFR R67 et les composés testés. Trois composés ont été déterminés comme des inhibiteurs sélectifs prometteurs pour la DHFR R67. / Type II R-plasmid encoded dihyrofolate reductase (DHFR), R67 DHFR is a bacterial enzyme that catalyzes the reduction of dihydrofolate (DHF) to tetrahydrofolate (THFA) which is essential for cell proliferation. R67 DHFR is an enzyme that depends on the cofactor NADPH as the hydride donor. R67 DHFR is distinct, structurally and genetically, from E. coli chromosomal DHFR (DHFR Ec) and it provides drug resistance to the widely-administered antibiotic trimethoprim (TMP). No selective inhibitor against R67 DHFR exists currently. The goal of this study was to discover molecules that can selectively inhibit R67 DHFR, without affecting human DHFR (hDHFR). Verification of the quality of enzyme assays under defined conditions for inhibitor screening on plate readers found several appropriate instruments for analysis. The study of the enzymatic activity of R67 DHFR and hDHFR in the presence of organic solvents and ionic liquids (ILs), as co-solvents for rational screening of inhibitors, showed that ILs can provide alternative media for enzymatic assays. Rational screening based on the approach of fragment-based drug design, revealed primary molecules that inhibited DHFR R67 weakly, but selectively. The testing of more complex compounds with known biological activities gave ligands with increased affinity for R67 DHFR. Three compounds were identified as promising selective inhibitors for R67 DHFR.