Pour que la vie puisse exister, des milliers de protéines doivent interagir ensemble pour permettre les divers processus biochimiques essentiels que l’on retrouve au niveau cellulaire. Le dérèglement d’une seule interaction protéine-protéine peut avoir des conséquences catastrophiques sur la qualité de vie d’une personne. C’est ainsi que de nombreux programmes de recherches sont basés sur l’exploration d’une ou de plusieurs cibles protéiques impliquées dans diverses maladies. Étant donné la localisation intracellulaire des nouvelles cibles thérapeutiques ainsi que l’absence de ligands connus, le développement d’agents thérapeutiques devient de plus en plus ardu. En effet, la chimie combinatoire classique et le design rationnel ont leurs limitations et il y a un besoin évident de développer de nouvelles approches pour faire l’étude et la modulation des interactions protéine-protéine. C’est dans cet esprit que s’imbrique les suivants travaux, qui portent sur les peptoïdes comme outil moléculaire peptidomimétique. Ces oligomères de glycine N-substitutée présentent notamment des propriétés pharmacologiques avantageuses et représentent une base moléculaire de choix pour élaborer de nouvelles méthodologies de criblage à haut débit. En passant par le développement de nouvelles approches de synthèse sur support solide, jusqu’à l’évaluation de la pénétration cellulaire de peptoïdes macrocycliques, le suivant mémoire devrait être lu comme un préambule à l’utilisation des peptoïdes en chimie combinatoire pour la découverte d’inhibiteurs ou de modulateurs d’interactions protéine-protéine.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Les oligopeptides et les mini-protéines sont des outils moléculaires très utiles en biochimie et pour le développement de nouveaux médicaments. Leur utilisation comme agents thérapeutiques est très attrayante, car ce type de biomolécules possède plusieurs caractéristiques avantageuses recherchées comme une forte activité et une haute spécificité pour la cible, ainsi qu’une faible toxicité. La préparation de ces composés s’effectue majoritairement par voie chimique et est généralement efficace. Toutefois, certaines structures peptidiques plus complexes demeurent difficiles à synthétiser par les stratégies classiques, rendant pertinente la recherche de nouvelles méthodes de synthèse. Dans le cadre de ce mémoire, la réaction multicomposante de Ugi a été ciblée comme ayant le potentiel de générer efficacement des structures peptidiques inédites. L’objectif du projet était de développer et d’appliquer une approche par réaction multicomposante de Ugi sur support solide pour la synthèse de peptides complexes et macrocycliques. Dans un premier temps, la réaction de Ugi a été appliquée dans un contexte de couplage de fragments peptidiques. Cette méthode a ensuite permis la synthèse de peptides allant jusqu’à 30 acides aminés, démontrant ainsi son efficacité en tant qu’alternative intéressante dans la synthèse de longs peptides. Par la suite, la réaction de Ugi a été utilisée pour simultanément lier et ancrer deux acides aminés à un support solide via leur squelette peptidique. L’objectif de cette approche était de synthétiser des peptides cycliques. La méthode montre que l’approche par réaction multicomposante de Ugi a permis la synthèse de composés mono- et bicycliques avec une importante économie de temps et de réactifs. En résumé, la réaction de Ugi a été employée avec succès pour développer de nouvelles méthodes permettant la synthèse de peptides complexes. Les approches développées ont le potentiel de donner accès à des structures jusqu’alors difficilement atteignables afin d’exploiter l’immense diversité moléculaire accessible avec ce type de biomolécules. / Oligopeptides and small proteins are useful tools in biochemistry and for molecular development of new therapeutic agents. Their use offers many advantages over small molecules, including a low toxicity and a strong binding on a particular target. Synthesis of such compounds mainly passes through a chemical pathway and works generally quite well. However, some complex peptide’s structures cannot yet be accessed with existing methods, which makes place for the development of new synthesis strategies. The main goal of this work that I did during my two master’s years was to find new synthesis ways to access complex peptidic structures and take advantage of all the chemical diversity available with this class of biomolecules. To do so, Ugi multicomponent reaction on solid support was targeted as a useful chemical tool that could help us to achieve the synthesis of new complex and macrocyclic peptides. First, this reaction was applied in a solid supported fragment coupling approach to access long peptides. This strategy does not require any prereactionnal modification of the building blocks, nor needing specific amino acids and does not exhibit any sign of epimerization at the ligation site. These characteristics make this method very interesting as an alternative synthetic method for long peptides production. The Ugi reaction was then used to form, in a one-pot fashion, an amide bond between two amino acids while creating another bond with a solid supported aldehyde acting as a linker. The main goal of this new approach is to allow the synthesis of head-to-tail cyclic peptides on solid-support. This method was applied to the synthesis of linear, cyclic and bicyclic peptides which would be useful in the development of new therapeutics. In conclusion, the Ugi multicomponent reaction was used for the synthesis of complex peptides. The developed methodologies allow synthesising new peptides that are unavailable up to now by chemical synthesis and that could exhibit some bioactive properties.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent principalement la mise en place d’une stratégie visant à obtenir de nouvelles nano-architectures moléculaires à partir de composés ayant une réactivité et une structure bien définies. Ainsi, par l’utilisation de macrocycles rigides de type phénylacétylène, il a été possible d’obtenir des nanotubes entièrement organiques, et ce, de façon plus rapide et contrôlée. Dans le chapitre 1, une revue de la littérature scientifique actuelle sera présentée en mettant l’accent particulièrement sur l’obtention de nano-objets à partir de précurseurs moléculaires bien définis. Par la suite, dans le chapitre 2, une étude détaillée sur l’empilement supramoléculaire des macrocycles rigides de type phénylacétylène à l’état gel sera présentée en mettant en lumière l’influence des différents paramètres structuraux sur la réactivité de ces précurseurs. Dans le troisième chapitre, il sera question de la photopolymérisation topochimique à l’état gel des unités diynes contenuesy dans les macrocycles de type phénylacètylene vers l’obtention de nanobâtonnets rigides. Une caractérisation détaillée par spectroscopie Raman et par microscopie électronique sera présentée dans le but de confirmer les structures attendues. Dans le chapitre 4, il sera question de la photopolymérisation topochimique de macrocycles plus larges de type phénylènebutadiynylène dans le but de contrôler la largeur de la cavité interne des nouvelles nano-architectures tubulaires. L’utilisation de ces précurseurs montrant la polyvalence de notre approche hybride pour le contrôle des nanostructures finales. Le chapitre 5 comprendra une étude de la pyrolyse des nanotubes décrits dans les chapitres précédents dans le but d’aller vers des nanotubes riches en carbone. L’obtention de tels matériaux est particulièrement intéressante vu l’utilisation des plus en plus répandue des nanotubes de carbone, souvent difficile d’obtention avec de bonnes puretés. Dans le chapitre 6, il sera question de nos récentes tentatives afin d’augmenter la réactivité des macrocycles à la réaction de polymérisation topochimique par la modification des chaînes périphériques. Finalement, une conclusion et une synthèse des résultats ainsi qu’une mise en contexte des travaux futurs seront présentées dans le chapitre 7. / The work presented in this thesis mainly concerns the establishment of a novel strategy to obtain new molecular nanoarchitectures from molecular precursors having a precise reactivity and a well-defined structure. Thus, by the use of shape-persistent phenylacetylene macrocycles, it has been possible to obtain discrete organic nanotubes in a more rapid and controlled fashion. In chapter 1, a review of the recent literature will be presented focusing particularly on synthesis of nanomaterials from well-defined molecular precursors. Subsequently, in the second chapter, a detailed study on the supramolecular stacking of rigid phenylacetylene macrocycles in a gel state will be presented highlighting the influence of different structural parameters on the reactivity of these precursors. In the third chapter, the topochemical photopolymerization in the gel state of diynes containing phenylacetylene macrocycles to obtain well-defined organic nanorods will be presented. A detailed characterization by Raman spectroscopy and electron microscopy will be presented in order to confirm the expected structures. The chapter 4 will present the topochemical photopolymerization of larger phenylenebutadiynylene macrocycles in order to control the width of the inner cavity of the new tubular nanoarchitectures. By using these precursors, the versatility of our approach by a hybrid method will be discussed to exemplify the control over the final nanostructures. Chapter 5 will present a study on the pyrolysis of the previously obtained organic nanorods toward carbon-rich nanotubes. The production of such materials is particularly interesting given the large use of carbon nanotubes, often difficult to obtain with good purities. Chapter 6 will present our recent strategy to improve the reactivity of the macrocycles toward topochemical polymerization by side-chains modification. Finally, chapter 7 will present a conclusion and future work.

Le développement de nouvelles méthodes de perturbation, d'intégration thermodynamique et de potentiel de forces moyennes nous a permis de caractériser thermodynamiquement (delta r G, delta r H, delta r S) des processus d'association entre un macrocycle et différents types de cations en solution aqueuse. Différentes méthodologies ont été développées en fonction de la nature des interactions non-covalentes mises en jeu entre le macrocycle et le cation (interaction-pi, électrostatique, van des Waals). Lorsque les grandeurs d'association calculées étaient en accord avec l'expérience, l'aspect description moléculaire des complexes et des phénomènes associés a permis le couplage entre le microscopique et le macroscopique complétant ainsi l'analyse des grandeurs thermodynamiques.

Dans le contexte de la chimiothérapie, la réparation de l’ADN réduit les dommages induits par les agents alkylants de l’ADN dont le témozolomide (TMZ), conduisant à la chimiorésistance. Une des voies principales de réparation de l’ADN est la voie par excision de base (BER) au sein de laquelle une enzyme clée, APE1 (endonucléase AP 1), clive les sites abasiques générés suite aux traitements par les agents alkylants et initie la réparation de la coupure simple-brin. Ce mécanisme représente une source majeure de chimiorésistance dans certains cancers. Plusieurs études ont ainsi validé la voie BER et plus particulièrement APE1 comme une cible importante dans le but d’améliorer l’efficacité des agents anticancéreux; pour ces raisons, de nombreux inhibiteurs d’APE1 ont été développés. Cependant, à la place d’une inhibition directe de l’enzyme, une stratégie alternative consiste à cibler le substrat de cette dernière : les sites abasiques. Les composés macrocycliques de type naphtalénophane ont montré la capacité à se lier fortement et sélectivement aux sites abasiques. Ce processus interfère avec la reconnaissance de ces derniers par APE1 et conduit in vitro à deux effets : l’inhibition du clivage enzymatique d’APE1 et le clivage du site AP par les macrocycles par un mécanisme différent de celui d'APE1, de type β-élimination. Ainsi, une nouvelle série de naphtalénophanes fonctionnalisés, composée de neuf nouveaux dérivés, a été synthétisée et étudiée. La plupart des macrocycles démontre la capacité à se lier fortement et sélectivement aux sites abasiques de l’ADN ainsi qu’à inhiber l’activité d’APE1 in vitro, avec des constantes d’inhibition s'étalant de 39 nM à 25 µM. De plus, l’activité d’inhibition d’APE1 par les ligands, caractérisée par les valeurs de Kı, a pu être corrélée avec leur affinité et leur sélectivité pour les sites abasiques. La structure moléculaire des macrocycles montre une forte influence sur l’activité de clivage de ces derniers pouvant conduire à une abolition ou à une très haute activité de clivage des sites abasiques. De façon intéressante, la formation d’un adduit covalent ADN – ligand avec un des macrocycles a été caractérisée. Enfin, l’activité biologique des naphtalénophanes sur la lignée cellulaire de glioblastome T98G résistante au TMZ a été étudiée. La plupart des ligands affiche une cytotoxicité élevée, avec des GI₅₀ de l’ordre du micromolaire. De plus, un remarquable effet synergique lors du traitement des cellules avec le TMZ et le MMS en combinaison avec un ligand (2,7-BisNP-O4Me) a été démontré. Ce macrocycle augmente également le nombre de sites abasiques et le nombre de coupures double-brins après un co-traitement cellulaire avec les agents alkylants suggérant ainsi l'inhibition d'APE1 attendue. Ces résultats mettent ainsi en évidence le fort intérêt thérapeutique de ce composé. / In the context of chemotherapy, DNA repair reduces the DNA damage induced by DNA-alkylating drugs such as temozolomide, leading to chemoresistance. One of the most important pathways of DNA repair is Base Excision Repair (BER), where a key enzyme, APE1 (AP endonuclease 1), cleaves abasic sites generated following treatment with DNA-alkylating drugs and initiates the repair of the single-strand break. The DNA repair activity of APE1 was identified as the major source of chemoresistance in certain cancers. Several studies validated the BER pathway and, particularly, the APE1 enzyme as important drug targets for improvement the efficacy of anti-cancer drugs; for this reason, several APE1 inhibitors have been developed. However, instead of direct inhibition of the enzyme, an alternative strategy can rely on targeting its substrate: the AP sites in DNA. Macrocyclic compounds, namely naphthalenophanes, show a strong and selective binding to abasic sites in the DNA. This process interferes with the recognition of the latter by APE1 and leads in vitro to two effects: inhibition of the APE1-induced DNA cleavage and macrocycle-induced DNA cleavage by a mechanism different from that of APE1, namely β-elimination. Herein, a novel serie of functionalized naphthalenophanes, composed of nine novel derivatives, has been synthesized and studied. Most ligands demonstrate a strong and selective binding to AP-sites in DNA and an inhibition of APE1 activity in vitro, with inhibitory constants from 39 nM to 25 µM. Moreover, the inhibitory activity of ligands, as characterized by Kı values, could be directly related to their affinity and selectivity to AP-sites. The molecular design of macrocycles has a crucial influence on their intrinsic AP-site cleavage activity leading either to total abolition, or to an exceptionally high AP-site cleavage activity. Interestingly, an unprecedented formation of a covalent DNA-ligand adduct with one of the ligands have been characterized. Finally, the biological activity of naphthalenophanes was assessed in the TMZ-resistant glioblastoma cell line T98G. Most compounds are highly active, with GI₅₀ values in sub-micromolar or low-micromolar range. In addition, a remarkable synergic effect upon co-treatment of TMZ or MMS with one ligand (2,7-BisNP-O4Me) was demonstrated. This ligand was found to increase the number of AP-sites and the number of double-strands break in DNA upon co-treatment with TMZ and MMS suggesting APE1 inhibition as excepted. These observations highlight the hight therapeutic interest of this compound.

Il y a de plus en plus de recherches qui se font dans le domaine de la nano-architecture organique. Ce type de recherche aide à avancer non seulement les nano-architectures, mais aussi les structures plus simples qui le composent. Comme nous sommes qu'au début de la recherche sur les macrocycles de phénylacétylène et qu'ils offrent plusieurs caractéristiques intéressantes, nous nous sommes penchés sur un moyen d'obtenir un nanotube organique rigide lié uniquement de façon covalente à l'aide de cette unité. En effet, la plupart des nanotubes organiques sont faits à l'aide de la chimie supramoléculaire. Ce type de nanotube est instable et il est possible de perdre la structure en changeant le pH, la température ou le solvant ce qui limite leur utilisation. De plus, l'utilisation d'un macrocycle rigide tel que le macrocycle de phénylacétylène éviterait tout effondrement de la structure sur elle-même. Pour y arriver, nous nous sommes penchés sur trois stratégies différentes. La première est basée sur la polymérisation d'un macrocycle de phénylacétylène par le centre. Nous avons tout d'abord synthétisé une rotaxane pour prouver que la tige passe bel et bien au centre. La deuxième stratégie est basée sur l'obtention en premier lieu d'une polyrotaxane fait de macrocycles de phénylacétylène. Nous devions ici réussir à trouver les groupements fonctionnels permettant l'obtention de cette polyrotaxane à l'aide de la chimie supramoléculaire. Pour ce faire, nous avons travaillé sur une [2]rotaxane et nous avons essayé aussi d'obtenir une pseudorotaxane. Finalement, la troisième voie est celle qui passe tout d'abord par la chimie supramoléculaire en gélifiant les macrocycles avant de les relier entre eux. Nous pensons que d'obtenir un gel de macrocycles de phénylacétylène nous permettra d'obtenir un empilement de macrocycles face-à-face et qu'il suffira par la suite de les relier ensemble à l'aide d'une réaction topochimique pour obtenir un nanotube organique. / Over the last ten years, the interest in the development of new strategies to prepare nanoarchitectures has continuously grown. Phenylacetylene macrocycles are useful building blocks for the preparation of nano-architectures, especially nanotubes, owing to their rigidity and semi-conducting properties. Nanotubes are important nano-objects for different applications. Our goal was to obtain rigid organic nanotubes linked only with covalent bonds with phenylacetylene macrocycles as the building blocks. Most of the organic nanotubes reported in the literature are obtained through supramolecular chemistry. These types of nanotubes are unstable and easy to destroy by changing the pH, the temperature or the solvent. The instability limits the use of supramolecular nanotubes in real devices. The use of a rigid macrocycle such as a phenylacetylene macrocycle as a building block would avoid any collapse of the nanotube on itself. Our work concerns three different strategies. The first relies on the polymerization of macrocycles by its center. We synthesized a rotaxane to prove that the axis passes through the center of the macrocycles. The second strategy relies on the synthesis of a polyrotaxane with phenylacetylene macrocycles. The identification of suitable functional groups that lead to a polyrotaxane with the help of supramolecular chemistry is discussed. The use of a [2]rotaxane to obtain a pseudorotaxane was also studied. Finally, the third strategy relies on gelification of the macrocycles before their cross-linking. The gel allows a face-to-face stacking, which would facilitate formation of the organic nanotube by the cross-linking of the macrocycles by a topochemical reaction.

Le présent mémoire se divise en deux parties principales. La première traite de la synthèse efficace de macrocycles peptidiques par une approche sur support solide. La seconde partie présente le design et les avancements dans la synthèse d'une nouvelle nanostructure peptidique de type canal. Ces deux projets ont en commun l'utilisation de macrocycles peptidiques. Le premier chapitre constitue une introduction aux canaux et nanopores naturels et artificiels développés dans le passé, ainsi que l'approche novatrice de notre groupe de recherche, amenant ainsi les objectifs de ce projet de maîtrise. Le deuxième chapitre traite de la synthèse de séquences peptidiques modèles pour le développement et la compréhension des paramètres influençant une réaction clé de clivage cyclidatif, permettant l'obtention de macrocycles peptidiques. Le troisième chapitre porte sur l'étude de la séquence sur cette même réaction clé, facteur très important pour cette réaction. Le quatrième chapitre traite quant à lui du design et de la stratégie pour la formation d'un nanopore moléculaire, incluant un macrocycle peptidique comme élément de pore de la nanostructure. Les essais et avancements pour la synthèse de ce canal cible seront discutés.