The research presented in this dissertation is focused on the construction of complex molecular structures on planar gold and silicon dioxide surfaces using a variety of surface modification techniques, along with thorough surface characterization at each modification step. The dissertation is structured into six separate chapters. In Chapter 1, an introduction to the importance and implications of molecular level surface modification, commonly employed surface modification methods, and available surface characterization techniques is presented. Chapter 2 shows applications of novel methodologies for the functionalization of gold surfaces using alkane dithiol self-assembled monolayers and thiol-ene click chemistry. The resulting functionalized gold substrates demonstrate higher chemical stability than alkanethiol self-assembled monolayers alone and allow spatially controlled functionalization of gold surfaces with light. In Chapter 3, work on tunable hydrophobic surfaces is presented. These surfaces are prepared using a combination of organosilane chemistry, layer-by-layer polyelectrolyte deposition, and thiol-ene chemistry. These hydrophobic surfaces demonstrate high mechanical and chemical stability, even at low pH (1.68). The pinning of water droplets could be tuned on them by the extent of their thermal treatment. Comprehensive surface characterization using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS), spectroscopic ellipsometry, atomic force microscopy, and water contact angles was carried out on the molecular assemblies prepared on gold and silicon dioxide surfaces. Chapters 4 and 5 are focused on the application, data interpretation, and enhancement in sensitivity of different surface characterization methods. In Chapter 4, XPS, ToF-SIMS, and principal components analysis are used to probe a real world corrosion-type problem. This systemic study showed the destruction of a protective coating composed of a nitrilotris(methylene)triphosphonic acid by a low-intensity fluorine plasma. In Chapter 5, enhancement in ToF-SIMS signals is shown via bismuth metal deposition. These surfaces are also probed by spectroscopic ellipsometry using the interference enhancement method. Finally, Chapter 6 concludes this dissertation by describing possible future work.

La leucémie myéloïde aiguë (AML) est une forme agressive du cancer du sang qui est caractérisée par un haut taux de mortalité, tant chez les patients plus jeunes que plus âgés. Le développement de nouveaux traitements est ardu par l’hétérogénéité de cette maladie. Dans cette perspective, les études CCC phénotypiques menées à l’IRIC visent à déceler de nouveaux composés ayant une synergie contre des souches AML primaires de patients en vue de personnaliser les thérapies selon leur profil cytogénétique. Il a été découvert que le MG624, un antagoniste des récepteurs nicotiniques α7-nAChR inhibant la prolifération des cellules cancéreuses dans les SCLC, démontrait une activité spécifique contre la souche AML5. Dans cette recherche, les voies de synthèse des analogues du MG624 sont explorées afin de concevoir une série de sondes permettant d’identifier les cibles potentielles via une approche chimioprotéomique par affinité dans le lysat cellulaire. Cette méthode a permis d’identifier trois cibles potentielles à l’aide d’un essai par compétition et de contrôles négatifs, soit XIAP, NQO2 et U119B, toutes impliquées dans différentes formes de cancer. Ces expériences ont mené à une meilleure compréhension des motifs procurant l’activité du composé chez les cellules leucémiques. La synthèse d’une sonde par photoaffinité a ensuite été élaborée pour éventuellement lier les protéines identifiées de manière covalente dans l’environnement cellulaire natif afin de valider ces cibles. / Acute myeloid leukemia (AML) is an aggressive form of blood cancer characterized by a high mortality rate in both younger and older patients. The development of new treatments is hampered by the heterogeneity of this disease, which has led to the phenotypic CCC studies carried out at IRIC to identify new compounds that exhibit synergies against primary AML patient strains to personalize therapies according to their cytogenetic profile. MG624, an α7-nAChR nicotinic receptor antagonist that inhibits cancer cell proliferation in SCLC, was found to have specific activity against AML5. In this research, the synthetic pathways of MG624 analogues are explored to design a series of probes to identify potential targets via an affinity-based chemoproteomic approach in cell lysate. This method identified three potential targets using a competitive assay and negative controls, namely XIAP, NQO2 and U119B, all implicated in different forms of cancer. These experiments led to a better understanding of the motifs that provide the compound's activity in leukemic cells. A photo-affinity probe synthesis was then developed to covalently bind the identified proteins in the native cellular environment to eventually validate these targets.

Ein Ansatz der Darstellung von neuartigen funktionalen Materialien basiert auf der Synthese von Foldameren mit charakteristischen Eigenschaften, die eine Kontrolle über Formgebung und Gestaltung der Makromoleküle und derer Aggregate zulassen. Bislang sind gerade größere Foldamerstrukturen definierter Größe und Form meist schwer darstellbar und eine strukturelle Modifizierbarkeit nicht ohne weiteres möglich. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die hohe Effizienz der seit 2002 bekannten Kupfer(I)-katalysierten 1,3-dipolaren Azid-Alkin-Cycloaddition, kurz “Klick“-Reaktion genannt, verwendet werden kann, um neuartige heteroaromatische Gerüste für die Konstruktion von diversen (makromolekularen) Strukturen zu generieren. Hierbei wird der bei der Reaktion entstehende Triazol-Ring gezielt als funktionale und strukturgebende Einheit genutzt. Zunächst wurden auf einfache und hochmodulare Weise 2,6-Bis(1-aryl-1,2,3-triazol-4-yl)pyridine (BTPs) dargestellt, die in einer hufeisenförmigen, planaren Konformation vorliegen und sich daher als helikogene Einheiten für die Konstruktion von helikalen aromatischen Foldameren eignen. Zudem stellen die BTP-Strukturen eine neue Klasse von pyridinzentrierten, tridentaten Liganden dar. Sie koordinieren an eine Vielzahl von Übergangsmetallionen unter Ausbildung von Metallkomplexen, die über interessante magnetische und lumineszierende Eigenschaften verfügen. Durch die Koordination, aber auch bei Protonierung, lassen sich die BTP-Gerüste von der gebeugten anti-anti-Konformation in eine gestreckte syn-syn-Konformation schalten. Dies wurde in Lösung, im kristallinen Festkörper und an der Flüssig-Fest-Grenzfläche zu Graphit untersucht. Über Selbstorganisation großflächig ausgebildete hochgeordnete BTP-Monoschichten an der Graphitoberfläche lassen sich mit Hilfe der Rastertunnel-Mikroskopie visualisieren und durch oben genannte externe Stimuli umstrukturieren. Eine neue Klasse von (BTP-basierten) responsiven heteroaromatischen oligomeren und polymeren Foldameren wurde mit Hilfe der „Klick“-Reaktion generiert. Die Oligomeren, sogenannte ”Klickamere“, mit einer Länge von 17 aromatischen Ringen zeigen in polaren Lösungsmitteln ein ausgeprägtes helikales Faltungsverhalten. Ein aus 17 aromatischen Ringen bestehender Foldamerstrang ist gegenüber Chloridionen responsiv, wobei es durch die Wechselwirkung mit diesem achiralen Stimulus bemerkenswerter Weise zu einer Helixinversion kommt. Die entsprechenden responsiven Polymere falten in eine stabile helikale Konformation, die bei Zugabe von Metallionen aufbricht und zu der Bildung von koordinativ kreuzverlinkten, stark viskosen Gelen führt. / One approach to develop novel functional materials is based on the synthesis of macromolecules with characteristic properties, in particular foldamers. However, preparation and structural variation of macromolecules of controllable size and specific shape are often cumbersome and versatile synthetic routes are still needed. In this dissertation, the high efficiency of the so called “click”-reaction, i.e. the Cu(I)-catalyzed Huisgen-type 1,3-dipolar cycloaddition, has been used to design a novel class of heteroaromatic (macromolecular) scaffolds. In these structures the formed triazole moieties constitute an essential integral part rather than a mere connecting unit. In a first step, structurally varying 2,6-Bis(1-aryl-1,2,3-triazolyl-4-yl)pyridines (BTPs) have been generated in an easy and modular way. The BTP scaffold adopts a kinked conformation and therefore functions as helicogenic building block for the construction of helical foldamers. Additionally, the BTP framework is responsive towards protonation and transition metal ion complexation, thereby undergoing a significant structural change from the kinked anti-anti into the extended syn-syn conformation. The conformational switching has been investigated in solution and in the solid state but can also be visualized at the liquid-solid interface on graphite by STM imaging. The BTPs represent a novel class of pyridine-centered, tridentate ligands, which form complexes with interesting magnetic and luminescent properties by the coordination to numerous transition metal ions. Varying heteroaromatic oligomeric and polymeric foldamers with remarkable properties have been generated using the “click”-reaction as synthesis tool. The BTP building blocks, which have (partly) been integrated into the backbones, support the stability of the helical conformation and provide responsiveness towards external stimuli. Three oligomer series of different length have been synthesized and analyzed. Oligomers consisting of 17 aromatic rings, termed clickamers, fold into a helical conformation in polar solvents. One of the three clickamers shows an unexpected phenomenon of helix inversion upon interaction with chloride ions as an achiral stimulus. The corresponding polymeric strands fold into an even more stable helical conformation, which breaks up upon exposure to transition metal ions leading to coordinatively crosslinked, highly viscous gels.

La toxine bactérienne de Shiga se lie au glycosphingolipide (GSL) globotriaosylcéramide (Gb3) afin d’entrer par endocytose dans les cellules en utilisant une voie dépendante et indépendante de la clathrine. Dans la voie indépendante de la clathrine, la toxine de Shiga réorganise les lipides de la membrane de façon à imposer une contrainte mécanique sur la bicouche, conduisant ainsi à la formation de pic d’invagination d'endocytose profonds et étroits. Mécaniquement ce phénomène n’est pas encore compris, notamment il reste énigmatique, comment se traduisent les propriétés géométriques de l’agrégation des glycosphingolipides GSLS et de la toxine. Dans mon travail de thèse, via l’utilisation de la sous-unité B de la toxine de Shiga (STxB) comme un modèle, différentes espèces moléculaires de son récepteur Gb3 ont été synthétisés avec des structures délibérément choisis. Les études réalisées par imagerie de haute résolution et par la modélisation informatique ont permis d’élucider les contraintes mécano-chimique sous-jacente conduisant à une réorganisation efficace qui a pour résultat l’agrégation de la toxine et la réorganisation des lipides. En combinant des expériences de simulation sur ordinateur de dynamique des particules dissipatives (DPD) et des expériences sur des modèles de membranes cellulaires, nous avons fourni la preuve de l’induction d’une force de fluctuation-membrane, de type « force de Casimir », conduisant à l'agrégation des molécules de toxines associées à la membrane à des échelles de longueur mésoscoiques. Nous avons observé et mesuré, en outre la condensation lipidique induite par la toxine, quantitativement sur des monocouches de Langmuir en utilisant la réflectivité des rayons X (XR) et par la mesure de la diffraction des rayons X par incidence rasante (GIXD), fournissant ainsi une preuve directe de l'hypothèse que la toxine a le potentiel de réduire de façon asymétrique la surface moléculaire sur la partie membranaire exoplasmique, ce qui conduit à une déformation locale de la membrane. Durant ma thèse, nos efforts ont été consacrés à la réalisation de nouveaux glycosphinolipides (GSL) comme outils chimiques à visée biologique. Par ailleurs, une nouvelle stratégie de reconstitution de GSL fonctionnels sur la membrane cellulaire, basée sur une réaction de ligation de type « click » entre un glycosyl-cyclooctyne et un azido-sphingosine a été étudiée. Les résultats obtenus sur les cellules se sont avérés beaucoup moins efficace que ceux in vitro. Une poursuite de l'optimisation de cette méthodologie est actuellement en cours. Une sonde fluorescente du glycosphinolipide Gb3, marquée à l’Alexa Fluor 568 lui-même lié par l'intermédiaire d'un bras PEG-α à la position de la chaîne acyle, a été synthétisée. Cette sonde se lie à la STxB sur couche mince de TLC, mais pas sur des membranes modèles. D'autres améliorations sont discutées. / Bacterial Shiga toxins bind to the glycosphingolipid (GSL) globotriaosylceramide (Gb3) to enter cells by clathrin-dependent and independent endocytosis. In the clathrin-independent pathway, Shiga toxin reorganizes membrane lipids in a way such as to impose mechanical strain onto the bilayer, thus leading to the formation of deep and narrow endocytic pits. Mechanistically how this occurs is not yet understood, and notably how the geometric properties of toxin-GSLs complexes translate into function has remained enigmatic. In my thesis work, using the B-subunit of Shiga toxin (STxB) as a model, different molecular species of its receptor Gb3 have been synthesized with deliberately chosen structures, coupled with high resolution imaging and computational modeling, to understand the underlying mechano-chemical constraints leading to efficient toxin clustering and lipids reorganization. By combining dissipative particle dynamics (DPD) computer simulation and experiments on cell and model membranes, we provided evidence that a membrane fluctuation-induced force, termed Casimir-like force, drives the aggregation of tightly membrane-associated toxin molecules at mesoscopic length scales. Furthermore, toxin-induced lipid condensation was observed and measured quantitatively on Langmuir monolayers using X-ray reflectivity (XR) and grazing incidence x-ray diffraction (GIXD), thereby providing direct evidence for the hypothesis that the toxin has the potential to asymmetrically reduce the molecular area of the exoplasmic membrane leaflet, leading to local membrane deformation. During my PhD, effort was also invested to develop new GSL tools applied to the biological setting. A novel strategy based on the Cu-free click reaction between glycosyl-cyclooctyne and azido-sphingosine was designed with the goal to functionally incorporate GSLs into cellular membranes. Following the synthesis work, click reactions have been performed in solution and on cells. Compared to the former, results on cells were far less efficient. Further optimization is currently ongoing. A fluorescently labeled Gb3 probe with Alexa Fluor 568 coupled via a PEG linker to the α-position of the acyl chain, was synthesized, to which STxB bound on TLCs, but not on model membranes. Further improvements are discussed.

Dans l'introduction, diverses voies de trafic intracellulaire et endocytose seront discutées. Je familiarise le lecteur avec des protéines inactivant les ribosomes, en mettant l'accent sur la structure, l'endocytose, et le trafic intracellulaire de la toxine bactérienne Shiga toxin (STX). STx et la ricine suivent la voie rétrograde pour exercer leur effet toxique sur les cellules. Ils sont respectivement, une menace maladie infectieuse pour la santé humaine et des outils potentiels pour le bioterrorisme pour lequel aucun antidote n’existe actuellement. D'un criblage à haut débit, Retro-1 et Retro-2 avaient déjà été identifiés comme de puissants inhibiteurs de la voie rétrograde à l'interface des endosomes précoces-TGN, et Retro-2 a été démontré pour protéger les souris contre la ricine. Parmi les facteurs de trafic analysés, seule la protéine SNARE syntaxine-5 a été ré- localisée dans les cellules traitées avec Rétro - 2. / In the introduction, various endocytic and intracellular trafficking pathways will be discussed. I acquaint the reader with ribosome-inactivating proteins, with emphasis on the structure, endocytosis, and intracellular trafficking of the bacterial toxin Shiga toxin (STx). STx and ricin follow the retrograde route to exert their toxic effect on cells. They are respectively, an infectious disease threat to human health and potential tools for bioterrorism for which no antidote currently exists. From a high throughput screening, Retro-1 and Retro-2 had previously been identified as potent inhibitors of the retrograde route at the early endosomes-TGN interface, and Retro-2 was demonstrated to protect mice against ricin. Of the trafficking factors analyzed, only the SNARE protein syntaxin-5 was re-localized in Retro-2 treated cells. Yet, whether syntaxin-5 is the direct target of Retro-2 and whether its re-localization was directly responsible for retrograde transport inhibition remained to be established.