Yes / Exploring the detailed structural features of synthetic molecules in the membrane phase requires sensitive probes of conformation. Here we describe the design, synthesis and characterization of bis(pyrene) probes that report conformational changes in membrane-active dynamic foldamers. The probes were designed to distinguish between left-handed (M) and right-handed (P) screw-sense conformers of 310-helical α-aminoisobutyric acid (Aib) peptide foldamers, both in solution and in bilayer membranes. Several different bis(pyrene) probes were synthesized and ligated to the C-terminus of Aib tetramers that had different chiral residues at the N-terminus, residues that favored either an M or a P screw-sense in the 310-helix. The readily synthesized and conveniently incorporated N-acetyl-1,2-bis(pyren-1′-yl)ethylenediamine probe proved to have the best properties. In solution, changes in foldamer screw-sense induced substantial changes in the ratio of excimer/monomer fluorescence emission (E/M) for this reporter of conformation, with X-ray crystallography revealing that opposite screw-senses produce very different interpyrene distances in the reporter. In bilayers, this convenient and sensitive fluorescent reporter allowed, for the first time, an investigation of how the chirality of natural phospholipids affects foldamer conformation. / European Research Council (Advanced Grant ROCOCO), the BBSRC (DTP studentship and grant BB/I007962) and the EPRSC (grants EP/N009134/1 and EP/ K039547).

L’utilisation d’oligomères d’α-amino-γ-lactame (Agl-αAA) comme vecteurs de pénétration intracellulaire est décrite dans ce manuscrit. Nous avons montré que ces oligomères structurés en ruban sont capables de traverser la membrane plasmique pour atteindre le cytosol et y délivrer un cargo biologiquement actif. A la différence des séquences peptidiques, ces oligomères ont une très bonne résistance enzymatique. Une nouvelle famille de foldamères d’α-amino-γ-lactame (Agl-βAA) obtenus à partir de séquences /β peptidiques est également décrite. La structure secondaire de ces composés a été étudiée par RMN, IR-TF, CD et DRX. Nous avons montré que ces oligomères sont capables d’adopter une structure stable en hélice 12. De façon remarquable, ces oligomères sont solubles en milieux aqueux malgré une absence totale de chaînes latérales hydrophiles. / The use of α-amino-γ-lactam oligomers (Agl-αAA) as cell penetrating vectors are described in this work. These ribbon structured oligomers are able to cross the cell membrane to reach the cytosol and deliver a biologically active cargo. Unlike peptide sequences, these oligomers display a strong enzymatic resistance. A new family of α-amino-γ-lactam oligomers (Agl-βAA) obtained from conversion of /β peptide sequences are also described. Secondary structure of these molecules have been studied by NMR, FTIR, CD and XRD. These oligomers are able to adopt a stable 12-helix structure. Unexpectedly, these oligomers are soluble in aqueous mediums without any hydrophilic side chains

Ce travail de thèse est consacré à la synthèse et la caractérisation structurale par spectroscopies RMN, IR, CD et RX de nouveaux oligomères non naturels qui s'inscrivent dans la famille des foldamères. Ils sont construits en particulier à partir d'un β-aminoacide bicyclique chiral original: l'acide (S)- ou (R)-aminobicyclo[2.2.2]octane-2-carboxylique ((S)- et (R) ABOC) que nous avons développé. Ce motif est issu d'une synthèse stéréocontrollée, dont l'étape clef est une réaction de Diels-Alder asymétrique. Après avoir montré que ce motif est un mime de coude peptidique il a été utilisé pour la synthèse de plusieurs séries d'oligomères. Deux grandes familles ont été développées: des oligourées et des oligoamides. A l'intérieur de ces familles, des homo- et des hétéro-oligomères ont été synthétisés et leur préférence conformationnelle a été définie. Les analyses RMN et les études cristallographiques ont permis de montrer qu'en fonction de leur séquence ils sont capables d'adopter plusieurs types d'hélices. Les homo-oligourées d'ABOC et des hétéro-oligourées alternant l'ABOC et des β3-aminoacides ont conduit à des hélices-12/14. Les oligoamides construits par des alternances d'ABOC et de β3-aminoacides dans un rapport 1/1 et des alternances d'ABOC et d'α-aminoacides dans un rapport 1/1 ou 1/2 ont conduit respectivement à des hélices 10/12, 16/18 et 12/14. / This thesis is devoted to the synthesis and FT-IR, CD, NMR and X-ray structural characterization of new unnatural oligomers belonging to the family of foldamers. In particular they are constructed from an original chiral bicyclic β-amino acid: (S)- and (R)-aminobicyclo[2.2.2]octane-2-carboxylic acid ((S) - and (R) ABOC ) that we have developed. This motive was obtained via a stereocontrolled synthesis using an asymmetric Diels-Alder reaction as key step. Firstly, this motive was shown to induce turn in peptide sequence and then it was used for the synthesis of several series of oligomers. Two main families were developed: oligoureas and oligoamides. Within these families, homo-and hetero-oligomers were synthesized and their conformational preferences were defined. NMR analysis and crystallographic studies have shown that depending on their sequence they are able to adopt several types of helices. ABOC homo-oligoureas and hetero-oligoureas containing both ABOC residue and β3-amino acid favor a 12/14-helix. Oligoamides with 1/1 alternation of ABOC and β3-amino acids, and heterogeneous backbones with 1/1 and 1/2 ABOC/α-amino acid residue patterns adopt 10/12-, 16/18- and 12/14-helix, respectively.

Les travaux présentés dans cette thèse ont eu pour objectif la valorisation d’une structures bicyclique bifonctionnelle à géométrie contrainte, celle de l’acide 2-aminobicyclo[2.2.2]octane 1-carboxylique (ABOC). La contrainte conformationnelle est une caractéristique particulièrement recherchée dans la conception d’agent chiraux pour la synthèse asymétrique ainsi que dans la synthèse de macromolécules se structurant spontanément (foldamères). Un travail sur la synthèse de petits peptides incorporant le (R) ou (S)-ABOC, a dans un premier temps conduit à l’identification d’un nouvel organocatalyseur bifonctionnel de la réaction d’aldolisation. Ce tripeptide incorporant en plus de l’ABOC un résidu proline en position N-terminale et un résidu Asp-OMe en position C-terminale a permis l’obtention d’excès énantiomérique élevés (jusqu’à 87%). Les analyses structurales ainsi que des calculs théoriques ont montré l’importance du bicycle de l’ABOC induisant la formation d’un coude dans la molécule et permettant la proximité des fonctions acide carboxylique (Asp) et amine secondaire (Pro) intervenant dans la catalyse. Dans un second temps, l’optimisation de la synthèse du (R) ou (S)-1,2-diaminobicyclo[2,2,2]octane (DABO) a permis de mettre en évidence l’impact important d’une double liaison endo-cyclique dans la réactivité de l’amine en tête de pont lors du réarrangement de l’acide carboxylique de l’ABOC en amine primaire. En effet, seules les conditions d’Hofmann appliqué au substrat présentant une insaturation dans le squelette bicyclique ont permis d’obtenir la diamine chirale avec de bon rendement. Cette nouvelle diamine vicinale chirale contrainte par un bicycle carboné a d’abord permis la synthèse de composés thiourée-amine autour du bicycle pour l’organocatalyse de la réaction d’addition de Nitro-Michael asymétrique. Cependant, et malgré les nombreux efforts d’optimisation, l’utilisation de ces molécules n’a jamais permis l’obtention d’excès énantiomériques supérieurs à 39%. En revanche, la synthèse de nouveaux ligands chiraux salen, salan et diamines secondaires basés sur le DABO et l’application des complexes de cuivre correspondants dans la catalyse de la réaction de nitroaldolisation asymétrique a abouti à l’obtention de bons rendements et d’une stéréosélectivité allant jusqu’à 86% d’excès énantiomériques. Le complexe donnant les meilleurs résultats a fait l’objet d’une étude DFT approfondie permettant de proposer la structure de l’état de transition le plus stable et de rationaliser la stéréosélectivité observée. Enfin la synthèse du DABO a permis d’entreprendre la synthèse de nouvelles oligourées mixtes homochirales se structurant en hélice-12/14 stables, alors qu’aucune structuration n’avait été observée lors de l’étude d’oligourées mixtes homochirales synthétisées à partir de l’ABOC. / The work presented in this thesis was aimed at the valorisation of a bicyclic bifunctional structure with constrained geometry, the 2-aminobicyclo[2.2.2]octane 1-carboxylic acid (ABOC). Conformational restriction is a particularly sought characteristic in chiral agent designed for asymmetric synthesis as well as in the synthesis of spontaneously structuring macromolecules (foldamers). A work on the synthesis of small peptides incorporating (R) or (S)-ABOC, initially led to the identification of a novel bifunctional organocatalyst for the aldolization. This tripeptide incorporating in addition to ABOC a proline residue in the N-terminal position and an Asp-OMe residue in the C-terminal position allowed to obtain high enantiomeric excess (up to 87%). Structural analysis as well as theoretical calculations showed the importance of the ABOC bicycle, inducing the formation of a turn in the molecule and allowing the proximity of the carboxylic acid (Asp) and secondary amine (Pro) functions involved in catalysis. The optimization of the synthesis of (R) or (S)-1,2-diaminobicyclo[2,2,2]octane (DABO) allowed to demonstrate the important impact of an endo-cyclic double bond in the reactivity of the bridgehead amine during the rearrangement of the carboxylic acid of the ABOC to the primary amine. Indeed, only the Hofmann conditions applied to the substrate exhibiting unsaturation in the bicyclic skeleton allowed to obtain the chiral diamine in good yield. This novel chiral vicinal diamine conformationally restricted by a carbon bicycle first allowed the synthesis of thiourea-amine compounds around the bicycle for the organocatalysis of the asymmetric nitro-Michael addition. However, despite many optimization efforts, the use of these molecules has never led to enantiomeric excesses greater than 39%. On the other hand, the synthesis of new chiral salen, salan and secondary diamines ligands based on DABO and the application of the corresponding copper complexes for the catalysis of the asymmetric nitroaldolization reaction resulted in good yields and a stereoselectivity up to 87% enantiomeric excess. The best-performing complex was subjected to a DFT study to propose the structure of the most stable transition state and to rationalize the high stereoselectivity. Finally, the synthesis of DABO allowed to undertake the synthesis of new homochiral mixed oligoureas structuring as stable 12/14-helices, while no structure had been observed during the study of homochiral mixed oligoureas synthesized from the ABOC.

Le cancer de l’ovaire représente la quatrième cause de décès par cancer chez la femme. En France, près de 4 500 nouveaux cas par an sont diagnostiqués, avec plus de 3000 décès chaque année. Ce cancer reste longtemps silencieux : un diagnostic souvent tardif, et le développent d’une chimiorésistance qui touche jusqu'à 75 % des patientes, expliquent le fort taux de mortalité et une survie à 5 ans estimée à moins de 45 %. Les mécanismes responsables du développement de la chimiorésistance sont nombreux. Aujourd’hui, un fort intérêt est porté au développement de nouvelles stratégies de traitement en ciblant les protéines cellulaires inhibitrices de l’apoptose (mort cellulaire programmée). Deux familles de protéines jouent un rôle cruciale dans la régulation de l’apoptose : la famille Bcl-2 et la famille IAP. Nous nous sommes intéressés à la synthèse de petites molécules abiotiques, appelées foldamères. Ces composés sont capables de perturber les interactions entre les protéines anti-apoptotiques des familles Bcl-2 ou IAP, surexprimées dans le cancer de l’ovaire, et leurs partenaires biologiques (pro-apoptotiques). Ceci permet de libérer les protéines pro-apoptotiques et rétablir l’apoptose dans les cellules cancéreuses. Ce travail de thèse a permis la conception, la synthèse, la caractérisation et l’évaluation biologique de molécules inhibitrices des protéines anti-apoptotiques Mcl-1 et Bcl-xL de la famille Bcl-2, et de possibles inhibiteurs de la protéine XIAP de la famille IAP. / Ovarian cancer is the 4th leading cause of cancer death in women. In France, nearly 4,500 new cases per year are diagnosed, with more than 3,000 deaths each year. This cancer remains silent for a long time: late diagnosis and chemoresistance development for up to 75% of patients, explain the high mortality rate and the 5-year survival estimated at less than 45%. Mechanisms responsible for the development of drug resistance are numerous. Today, there is a strong interest in the development of new treatment strategies by targeting cellular proteins that inhibit apoptosis (programmed cell death). Two families of proteins play a crucial role in the regulation of apoptosis: the Bcl-2 family and the IAP family. We are interested in the synthesis of small abiotic molecules, called foldamers. These compounds are able to disrupting the interactions between the anti-apoptotic proteins of the Bcl-2 or IAP families, overexpressed in ovarian cancer, and their biological (pro-apoptotic) partners. This releases the pro-apoptotic proteins and restores apoptosis in the ovarian cancer cells. This PhD work allowed the design, synthesis, characterization and biological evaluation of inhibitors of Mcl-1 and Bcl-xL anti-apoptotic proteins of Bcl-2 family, and the development of possible inhibitors of the XIAP protein of IAP family.

In der vorliegenden Arbeit wird die Aufklärung der Konformation von Peptiden mit speziell modifizierten Aminosäuren beschrieben. Die Methoden der theoretischen Chemie (Quantenchemie, Molekülmechanik, Moleküldynamik) bilden dabei die Grundlage der Konformationsanalysen. Durch systematische Anwendung dieser Methoden werden im ersten Teil der Arbeit die konformativen Eigenschaften verschiedener [beta]-Aminosäuren und ihrer Oligomere ([beta]-Peptide) untersucht. Aus diesen Ergebnissen werden anschließend Regeln für das Sekundärstrukturdesign von ß-Peptiden abgeleitet. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der theoretischen Konformationsanalyse von [alpha]- Hydrazinosäuren und ihrer Oligomere (Hydrazinopeptide). Aus den gewonnenen Erkenntnissen über die Ausbildung charakteristischer Sekundärstrukturelemente in diesen Verbindungen wird ebenfalls ein Regelwerk für das Design von Sekundärstrukturen aufgestellt. / The present work describes the conformational characteristics of pepttides with specifically modified amino acid constituents. For this purpose, the methods of theoretical chemistry (quantum chemistry, molecular mechanics, molecular dynamics) are utilisied for the conformational analyses. The conformation of various [beta]-amino acids and their oligomers ([beta]-peptides) are inverstigated in the first part of this work applying these methods. Rules for the design of definite secondary structures in [beta]-peptides are then derived from the obtained results. In the second part, systematic theoretical conformational analyses on [alpha]-hydrazino acids and their oligomers (hydrazino peptides) are described. The results are then used to compile a set of rules for the formation of characteriasitc secondary structures in this class of compounds.

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L'auto-assemblage dynamique est une méthode puissante pour accéder à des édifices moléculaires fonctionnels complexes. Son application à la construction de moteurs moléculaires par le biais de la maîtrise des échelles de temps ouvre la voie à des générations de nano-machines de plus en plus sophistiquées pouvant spontanément renouveler leurs composants ou les changer pour d'autres. La première partie de ce manuscrit est axée sur le design d’hélices d’oligoamides aromatiques qui peuvent s’enrouler le long d’un axe et glisser rapidement le long de celui-ci avant de se dérouler. Le second volet de cette thèse est consacré à la mise en évidence d’un mouvement qui est caractérisé pour la première fois à l’échelle moléculaire: le vissage. Le dernier axe de recherche développé dans ce manuscrit concerne la mise en évidence d’un intermédiaire cinétique de type foldaxane se transformant progressivement en un complexe hôte-invité 2:2 thermodynamiquement stable. / Dynamic self-assembly is a powerful method for fabricating complex, functional molecular structures. Its application to the construction of molecular motors through the control of timescales paves the way for new generations of nano-machines, in which sophisticated components can be spontaneously renewed or changed by others. The first part of this thesis focuses on the design of aromatic oligoamides that can slowly wind along an axis and shuttle along it before unfolding. The second chapter is devoted to the detection of a movement that is characterized for the first time at the molecular level: the screwing motion. The last line of research developed in this manuscript concerns the identification of a long-lived kinetic supramolecular by-product based on foldaxane architecture, which gradually transforms into a thermodynamically favored 2:2 host-guest complex.

La fonction d’une protéine dépend dans une large mesure de sa structure tridimensionnelle, c’est pourquoi de nombreux chercheurs se sont passionnés pour la synthèse des foldamères, molécules de synthèse, bioinspirées, capables d’adopter des structures repliées bien définies. Parmi les différentes classes de foldamères, les oligourées aliphatiques étudiées dans notre laboratoire s’organisent pour former des structures hélicoïdales voisines de l’hélice α des polypeptides naturels. Pour développer des hélices fonctionnelles mimes de structures biologiques, il est intéressant de mieux comprendre les règles de leur repliement, par exemple en modifiant la nature des unités monomériques. Au cours de cette thèse, nous avons donc testé la compatibilité de la géométrie de l’hélice d’oligourée avec des résidus comportant de fortes contraintes stériques comme des groupements gem-diméthyles et des cycles pyrrolidines. En utilisant les résidus pyrrolidine, nous avons ensuite développé une nouvelle stratégie de synthèse par condensation de segments permettant de concevoir des hélices de grande taille (jusqu’à 4 nm). Grâce à cette nouvelle stratégie de synthèse et aux informations obtenues sur la stabilité des hélices nous avons pu concevoir des architectures plus complexes (structures quaternaires) résultant de l’assemblage programmé d’hélices hydrosolubles. / The biological functions of proteins are mainly correlated to their tridimensional structure. For this reason a large number of chemists are interested in the synthesis of foldamers, which are bioinspired artificial molecules possessing well-defined folded conformations. In particular, in our laboratories we focused on the study of oligourea foldamers, which form well-defined and remarkably stable helical structures, analogous to the natural polypeptides α-helix. In order to develop artificial functional helices able to mimic biological structures, it is interesting to understand the rules governing their folding, for example by comparing different residues substitution patterns. During this thesis we have investigated the compatibility of the helix geometry with residues containing steric constraints, such as gem-dimethylated units or pyrrolidine cycle. We have developed a new segment condensation strategy based on these residues, which enabled the facile synthesis of long helical segments (up to 4 nm). The use of this novel approach, combined with the information acquired on helical stability allowed us to produce more complex architectures (quaternary structures) resulting from the controlled assembly of water soluble helices.

Les oligopyridine-dicarboxamides et les oligoquinoline-carboxamides sont des oligomères synthétiques capables d’adopter des conformations hélicoïdales stables et bien définies. Les premiers sont comparables à des ressorts moléculaires qui peuvent s’étirer puis s’autoassembler pour former des doubles hélices artificielles. L’étude structurale d’oligopyridines de différentes tailles par diffraction des rayons X et RMN a permis d’éclaircir les principes de l’hybridation en double hélice. Par exemple, nous constatons que la stabilité du duplex est d’autant plus grande que l’oligomère est long mais la cinétique de l’hybridation décroit avec la taille des hélices. Ces propriétés sont modulables en fonction de divers paramètres tels que le solvant ou les substituants des pyridines. Les seconds forment de simples hélices moléculaires stables dans les solvants organiques mais aussi dans l’eau. Nous avons développé leur synthèse sur support solide afin de disposer de séquences variées, à l’image des alpha-peptides. Des études par RMN suggèrent que l’introduction d’unités aminométhylpyridines au sein d’un oligoquinoline hydrosoluble apporte de la flexibilité sans perturber sa structure hélicoïdale. Cela témoigne de la stabilité de ces structures secondaires dans les solvants protiques. Par ailleurs, certains de ces peptidomimes s’avèrent capables de reconnaitre et stabiliser des motifs structuraux particuliers de l’ADN : les G-quadruplex. Etant donné que ces architectures se forment à des endroits clés du génome impliqués dans des cancers, ces hélices moléculaires font figure de potentiels agents antitumoraux d’un nouveau genre. / Oligopyridine-dicarboxamides and oligoquinoline-carboxamides are synthetic oligomers able to fold into stable and well defined helical conformations. The first ones are comparable to molecular springs which can extend then associate to form artificial double helices. A structural study of oligopyridines of various sizes by X-ray diffraction and NMR provided a better understanding of the hybridization process. For example, we noticed that the stability of the duplex is all the higher as the oligomer is long but the kinetics of hybridization decrease with length. These properties depend on diverse parameters such as the solvent or the substituants of pyridine rings. The second family forms stable single helices in organic solvents and also in water. We adapted their synthesis on solid support to promote accessibility to a variety of sequences, just like for alphas-peptides. NMR studies suggested that the introduction of aminomethylpyridine units within a hydrophilic oligoquinoline strand brings some flexibility without disrupting its helical structure, showing the high stability of these secondary structures in protic solvents. Besides, some of these peptidomimetics turn out to be capable of recognizing and stabilizing a particular DNA motif: G-quadruplex structure. Given that these architectures form in critical places of the genome involved in cancers, these molecular helices may represent a new class of potential antitumoral agents.