Avec l’apparition de plus en plus de souches de bactérie résistante aux antibiotiques, le développement de nouveaux antibiotiques est devenu une important problématique pour les agences de santé. C’est pour cela que la création de nouvelles plateformes pour accélérer la découverte de médicaments est devenu un besoin urgent. Dans les dernières décennies, la recherche était principalement orientée sur la modification de molécules préexistantes, la méta-analyse d’organismes produisant des molécules activent et l’analyse de librairies moléculaires pour trouver des molécules synthétiques activent, ce qui s’est avéré relativement inefficace. Notre but était donc de développer de nouvelles molécules avec des effets thérapeutiques de façon plus efficace à une fraction du prix et du temps comparé à ce qui se fait actuellement. Comme structure de base, nous avons utilisé des métabolites secondaires qui pouvaient altérer le fonctionnement des protéines ou l’interaction entre deux protéines. Pour générer ces molécules, j’ai concentré mes efforts sur les terpènes, une classe de métabolites secondaires qui possède un large éventail d’activités biologiques incluant des activités antibactériennes. Nous avons développé un système de chromosome artificiel de levure (YAC) qui permet à la fois l’assemblage directionnel et combinatoire de gènes qui permet la création de voies de biosynthèse artificielles. Comme preuve de concept, j’ai développé des YACs qui contiennent les gènes pour l’expression des enzymes impliquées dans la biosynthèse de la -carotène et de l’albaflavenone et produit ces molécules avec un haut rendement. Finalement, Des YACs produits à partir de librairies de gènes ont permis de créer une grande diversité de molécules. / With the appearance of more and more antibiotic resistant strains of bacteria, the development of new antibiotics becomes an issue of utmost importance for society. It is for that reason that new platforms and methodologies to accelerate the discovery of novel antibiotics are urgently needed. For the last decades, research was mainly oriented on modifying existing antibiotics, mining natural producers or screening for synthetic molecules from giant chemical libraries but these approaches did not manage to keep the pipelines filled with a sufficient number of novel antibiotics. Therefore, our goal was to develop a way to create and screen new molecules more efficiently at a fraction of the cost when compared to traditional approaches and within a short time frame. As chemical scaffolds we use natural product-like compounds that modulate the function of individual proteins or of protein-protein interactions. To generate these compounds, I focused first on the terpene scaffold class, a class containing molecules with a wide range of biological activities and includes compounds with antibacterial activities. We developed a yeast artificial chromosome (YAC) platform that allows both directional and combinatorial assembly of biosynthetic genes that can be used to create artificial biosynthetic pathways. As a proof of principle, YACs were successfully assembled containing genes coding for enzymes involved in the biosynthesis of both B-carotene and albaflavenone, and that allowed high yield production of these compounds. Finally, YACs encoding terpene gene libraries were also created and which produced a diversity of terpenoid molecules.

Les produits naturels (PNs) englobent une énorme diversité chimique qui a conduit à la découverte de médicaments révolutionnaires contre le cancer, contre les maladies infectieuses et contre d'autres maladies. La majorité des médicaments actuellement approuvés sont des dérivés de PNs, où nombre d’entre eux engagent des cibles considérées comme non thérapeutiques. Malgré ces avantages, les PNs posent des problèmes au niveau de l’isolement, de la déréplication, du réapprovisionnement et de la traçabilité chimique. Compte tenu du besoin urgent de découvrir de nouvelles molécules bioactives contre de nouvelles cibles pour tous les types de maladies, des stratégies innovantes sont nécessaires pour revigorer la découverte de médicaments à partir des PNs. Nous avons développé une plateforme utilisant Saccharomyces cerevisiae pour la production hétérologue de molécules similaire aux PNs, appelée « produits naturels synthétiques » (PNSs). Nous avons synthétisé une vaste bibliothèque de gènes impliqués dans la biosynthèse de PNs (GBSs) provenant de plantes, de champignons et de bactéries, pour lesquels leur contenu en GC et leurs codons ont été optimisés pour l’expression dans S. cerevisiae. Ces gènes sont assemblés en chromosomes artificiels de levure pour générer de vastes bibliothèques combinatoires de BSG pour la production de molécules similaires aux PNs. Les bibliothèques de PNSs peuvent être directement criblées contre des microorganismes ou des cibles spécifiques dans des essais à haut débit. J'ai effectué le criblage de bibliothèques de PNSs contre une variété de cibles bactériennes et humaines. L'un de ces criblages a conduit à la découverte de PNSs ayant une activité antimicrobienne contre un groupe de pathogènes cliniquement pertinents. Récemment, certaines équipes scientifiques, dont la nôtre, ont découvert que l'hyperactivation de la protéase mitochondriale humaine CLPP par les composés anticancéreux ONC201 et ONC212, qui sont présentement en phase préclinique, provoque la mort cellulaire par protéolyse mitochondriale incontrôlée. Cependant, j'ai trouvé que ONC201/212 activent également la version bactérienne de ClpP et ils pourraient donc perturber le microbiome. J'ai donc développé des essais génétiques de substitution dans la levure pour les protéases ClpP afin de cribler pour des activateurs plus spécifiques. Ensuite, j'ai adapté mon approche dans la levure pour le criblage d’inhibiteurs de la protéase principale (Mpro) et de l'endoribonucléase (NendoU) de SRAS-CoV-2, afin de répondre au besoin pour des thérapies antivirales efficaces afin de traiter les personnes atteintes de la forme grave de la COVID-19. Enfin, une autre variante de mon approche dans la levure a également été développée pour le criblage de stabilisateurs de l'interaction entre FKBP12 et calcineurine dans le but d'identifier de nouveaux immunosuppresseurs qui présentent moins d'effets secondaires. Le criblage de ces différents essais m’a permis d’identifier des candidats potentiels pour chaque cible. Bien que les tests faits dans la levure soient utilisés dans le contexte de criblages traditionnels, l’utilisation de la plateforme PNS permet d’explorer un espace chimique inaccessible auparavant afin de favoriser la découverte de médicaments, le tout de manières économique, modulable et durable. / Natural products (NPs) encompass enormous chemical diversity, leading to revolutionary medicines in cancer, infectious disease, and other indications. The majority of currently approved drugs are derived from NPs, with many of them engage targets otherwise viewed as undruggable. Despite these advantages, NPs pose problems in isolation, dereplication, resupply and chemical tractability. Given the pressing need to discover bioactive chemical matter against new targets in all disease areas, innovative strategies are required to reinvigorate NP-based drug discovery. We have developed a Saccharomyces cerevisiae platform for heterologous production of NP-like chemical matter, termed Synthetic Natural Products (SynNPs). We synthesized an extensive library of codon- and GC-content optimized NP biosynthetic genes (BSGs) from plants, fungi and bacteria. These genes are then assembled into programmable yeast artificial chromosomes (YAC) to generate vast combinatorial BSG libraries that produce NP-like molecules. SynNP libraries can be directly screened in high-throughput in either cell- or target-based assays. I constructed and screened SynNP libraries in yeast-based surrogate genetic assays against a variety of bacterial and human targets. One of these screens led to the discovery of SynNPs with antimicrobial activity against a panel of clinically relevant pathogens. Recently, we and others discovered that hyperactivation of the human mitochondrial caseinolytic protease proteolytic subunit (CLPP) by the preclinical anti-cancer compounds ONC201 and ONC212 causes cell death by rampant mitochondrial proteolysis. However, I found that ONC201/212 also activates bacterial ClpP and could therefore disrupt the microbiome. I thus developed yeast-based surrogate genetic assays for ClpP proteases to screen for more specific activators. Then, I adapted my yeast-based approach to screen for inhibitors of SARS-CoV-2 main protease (Mpro) and endoribonuclease (NendoU) to address the need for efficacious antiviral therapies to mitigate the COVID-19 pandemic. Finally, I developed another variant of my yeast-based approach to screen for stabilizers of the interaction between FKBP12 and calcineurin to identify novel candidate immunosuppressants. Screens with these various assay formats allowed me to identify candidate hits for each target. In summary, the SynNP platform allows the exploration of new-to-nature NP-like chemical space for drug discovery in a cost-effective, scalable and sustainable manner, and yeast-based surrogate genetic assays can be used to screen both existing chemical libraries and SynNP libraries.