Copper (Cu) is required by marine microbes for essential biological processes, including photosynthesis and nitrogen fixation, but can be toxic above a certain threshold. Copper bioavailability in seawater is regulated by complexation with dissolved organic ligands of unknown source and structure. Culturing experiments have demonstrated the production of high-affinity Cu-binding ligands by marine algae in response to metal stress or limitation, suggesting they function either as metal ‘sponges’ to reduce copper toxicity or ‘carriers’ that promote uptake. The goal of my thesis research was to develop methods for the recovery and characterization of Cu ligands from seawater that could then be applied to natural samples to investigate sources and structures of recovered ligands. Using natural seawater spiked with model Cu ligands, I developed an immobilized Cu(II)-ion affinity chromatography (Cu(II)-IMAC) protocol which was shown to be effective in quantifying an operationally defined subset of natural Cu ligands. I then applied Cu(II)-IMAC to seawater collected along transects in the Canadian Arctic and NE Pacific Ocean to assess the abundance of this ligand pool across a diverse set of samples. Ligand distribution profiles and their covariance with other components of seawater (e.g. chlorophyll) were consistent with in situ biological production of some Cu-binding ligands. Model ligands spiked into seawater and recovered by Cu(II)-IMAC were also used to develop protocols for structural characterization of Cu ligands by solid-phase extraction (SPE) and tandem mass spectrometry (MS/MS). This research provides new tools for the isolation and characterization of copper ligands in natural samples, and new insights into the biogeochemical cycling and ecological significance of Cu in the ocean. / Graduate

Le développement de nouvelles réactions de ligation sélectives, capables de former des liens covalents dans des milieux complexes, est en plein essor depuis une dizaine d’années. Malgré de nombreux efforts, peu de réactions chimiques répondent aux critères de bioorthogonalité et la cycloaddition alcyne-azoture est devenue une réaction bioorthogonale essentielle à la fois pour les chimistes mais aussi pour les biochimistes.Le but de ce travail a été d’améliorer la cinétique de la réaction de cycloaddition alcyne-azoture catalysée par le cuivre, de façon à pouvoir réduire au maximum la quantité de cuivre nécessaire à la réaction et donc son éventuelle toxicité, notamment sur les cellules. Les efforts de recherche menés par de nombreux groupes dans le monde ont porté sur l’augmentation des capacités catalytiques du cuivre (I) par complexation avec des ligands appropriés. Dans un premier temps, à partir de ces résultats, une nouvelle série des ligands du cuivre a été développée au laboratoire et testée dans des milieux aqueux et biologiques. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à une nouvelle stratégie qui consiste à concevoir et synthétiser des azotures chélatants du cuivre. Ces azotures servent à la fois de ligands et de réactifs, et permettent d’accélérer considérablement les vitesses de réaction de la cycloaddition alcyne-azoture en milieu aqueux et en milieu complexe. Ces azotures ont été évalués pour des applications de « fishing » dans lysats cellulaires et sur cellules vivantes. / To improve the kinetic of the CuAAC (Copper Catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition) reaction and to overcome the problems of cytotoxicity of copper which preclude many applications in bioconjugation, recent research efforts have focused on the use of appropriate ligands in combination with copper. Indeed, certain ligands can be added to the reaction solution to bind copper, accelerate reaction, prevent the disproportion and slow down the oxygen reaction. During the first part of my PhD, we have synthesized a new library of ligands bearing amines as specific complexing sites for copper. These libraries of ligands were tested on the CuAAC reaction in diluted aqueous media and in complex media through the use of a fluorogenic assays. Ligands developed in the laboratory were compared with known ligands for the CuAAC, described in the literature. In a second part, we envisioned another strategy to accelerate the kinetics of the CuAAC. For that purpose, we synthesized new azides bearing copper complexation sites by introducing in their structure a copper chelating moiety. Those different azides have been tested in the CuAAC reaction with the help of fluorogenic assays, in diluted aqueous media and in cell lysate. Best chelating azides were tested also in “fishing” experiments of proteins in cell lysate and in cells.

Η εργασία αυτή αποτελεί τη διπλωματική εργασία που εκπονήθηκε στα πλαίσια του διατμηματικού μεταπτυχιακού προγράμματος “Ιατρική Χηµεία: Σχεδιασμός και Ανάπτυξη Φαρμακευτικών Προϊόντων” του Πανεπιστημίου Πατρών. Στη φύση, η καταλυτική οξείδωση οργανικών μορίων με υψηλή εκλεκτικότητα αποτελεί σημαντικό εργαλείο στη σύνθεση πολύπλοκων φυσικών προϊόντων και επιτυγχάνεται με εξειδικευμένα ένζυμα που έχουν ως βάση κυρίως το χαλκό και το σίδηρο. Αντικείμενο της εργασίας ήταν ο σχεδιασμός και ανάπτυξη πρωτότυπων καταλυτικών συστημάτων οξείδωσης αλειφατικών δεσμών C-H με βάση τον χαλκό που εν δυνάμει προσομοιάζουν τη λειτουργία των βιολογικών συστημάτων. Εξετάστηκε μεθοδικά η σχέση χαλκού-υποκαταστάτη με τις συνθήκες της αντίδρασης σε συνάρτηση με την τόπο-και χημειοεκλεκτικότητα της αντίδρασης. Τα βέλτιστα αποτελέσματα απόδοσης και εκλεκτικότητας στην οξείδωση του κυκλοεξανίου επιτυγχάνονται σε διαλύτη ακετονιτρίλιο ή ακετόνη με νιτρικό ή τριφλικό δισθενή χαλκό σε συνδυασμό με 1,10-φαινανθρολίνη ή 4-άμινο τριαζόλη. Συγκεκριμένα επετεύχθησαν αποδόσεις 25-35% και εκλεκτικότητες Α/Κ 13-32:1. Παράλληλα έγινε σύγκριση με τα state-of-the-art συστήματα που αναφέρονται στη σύγχρονη βιβλιογραφία. Οι εκλεκτικότητες που επετεύχθησαν σε αυτήν την έρευνα είναι οι υψηλότερες που έχουν αναφερθεί όχι μόνο για συστήματα με βάση το χαλκό αλλά και με άλλα μέταλλα. Αντίθετα, τα καταλυτικά αυτά συστήματα δεν φαίνεται να είναι αποτελεσματικά στις οξειδώσεις αλλυλικών και βενζυλικών δεσμών C-H. / This work is the final year’s thesis of the inter-departmental postgraduate program “Medicinal Chemistryː Design and Development of Pharmaceutical Products” of the University of Patras. Nature uses catalytic selective oxidation of C-H bonds in order to construct complex natural products by utilizing specialized enzymes mainly based on copper or iron. The aim of the work is the design and development of novel copper-based catalytic systems capable of C-H oxidation that could mimic the performance of the biological systems. The investigation focused on the interrelationships/dependencies between the type of copper ion and ligand with the reaction conditions in relation to the observed regio- and chemoselectivity. In the oxidation of cyclohexane the best results for yield and chemoselectivity were achieved using 1,10-phenanthroline or 4-amino-1,2,4-triazole as ligands, copper (II) triflate or nitrate as metal sources and acetone or acetonitrile as solvents. Reaction yields of 25-35% and A/K ratios of 13-32 : 1 where achieved and a comparison with state-of-the-art systems from the recent literature was also made. The A/K ratios obtained in this work are the highest reported not only for copper based systems but also for other metals. In contrast, these systems showed no catalytic activity with the weaker allylic or benzylic C-H bonds.