Les composés glycosidiques sont une classe de molécules organiques sous-estimée en chimie médicinale. En effet, la variété de protéines se liant à ce type de molécules est très grande et plusieurs de ces récepteurs sont impliqués dans des processus physiologiques importants tels que l'adhésion cellulaire, la régulation de la croissance, l'apoptose cellulaire et la xénotransplantation. Plusieurs maladies comme le cancer, la fibrose kystique, les infections virales et bactériennes utilisent les interactions glycoside-protéine dans le but d'envahir notre organisme. Le développement de molécules actives basé sur des glycomimétiques aurait l'avantage d'offrir une sélectivité accrue pour un récepteur en particulier selon la nature du glycoside greffé sur l'élément actif. La synthèse de ce type de molécules utilise des réactions de chimie organique moderne telles que des réactions catalysées par transfert de phase, des couplages au palladium (0) de type Sonogashira et Heck ainsi que des réactions spécifiques à la chimie des sucres comme la réaction de propargylation régiosélective impliquant un acétal d'étain. Deux classes d'inhibiteurs ont été synthétisées soient des S-galactosides et lactosides ainsi que des 2-désoxy-C-galactosides. De plus, le développement d'une méthodologie de synthèse de trisaccharides basée sur une réaction d'allylation stéréosélective impliquant un complexe titane-binol a été étudié. Les diverses études réalisées démontrent bien l'efficacité des molécules synthétisées face à divers récepteurs biologiques dont les galectines et la lectine PA-IL de Pseudomonas aeruginosa. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : lectines, fibrose kystique, glycosides, glycomimétigues.

Dans un contexte général où les consommateurs se sentent toujours plus concernés par les risques que font peser sur leur santé les biens de consommations, les industriels se doivent d'assurer l'innocuité de leurs produits. Le risque microbiologique en particulier, affecte de nombreux secteurs, dont l'agro-industrie, et il devient donc stratégique de disposer de techniques permettant de l'évaluer de façon sensible et rapide. Le développement de telles techniques est l'objectif du projet européen Microqual, dans lequel s'inscrivent les travaux présentés au cours de cette thèse. Ceux-ci ont concerné la détection proprement dite, par le biais du développement d'un nouveau prototype de suivi impédancemétrique de la croissance bactérienne. Ils ont également porté sur une méthode originale de concentration, basée sur l'utilisation de lectines immobilisées sur des micro-billes paramagnétiques, et ont permis de mettre au point les outils nécessaires au futur développement de cette méthode.

Le présent projet vise à analyser l'influence de la multivalence dans les interactions sucres-lectines. En collaboration avec des équipes externes, une étude par microscopie à force atomique (AFM) de l'interaction entre des ligands synthétiques de différentes valences et leurs lectines spécifiques a été entreprise. Dans le cadre de cette étude, une première caractérisation fondamentale de l'interaction sucre-lectine a été menée. Cette caractérisation concerne plus particulièrement l'influence de la multivalence sur les forces d'adhésion et la dynamique de l'interaction entre les ligands synthétiques multivalents et une lectine modèle, la lectine d'arachide PNA. Une seconde caractérisation, d'aspect plus appliqué, concerne l'utilisation des ligands synthétiques multivalents dans une approche thérapeutique antiadhésive pour le traitement des infections urinaires chroniques dues à Escherichia coli uropathogène (UPEC). Le caractère innovant des ligands (obtenus par une synthèse chimique rationnelle) ainsi que l'approche utilisée pour caractériser leurs interactions avec les lectines à l'échelle moléculaire par AFM témoigne de l'originalité du projet.

Les interactions entre les sucres et les lectines sont généralement l'étape clé dans de nombreux phénomènes biologiques et pathologiques. Malgré leu r importance cruciale, ces interactions sont paradoxalement caractérisées par des constantes d'affinité faibles et nécessite une multiprésentation des motifs saccharidiques pour être significatives. Cette augmentation est appelée "effet cluster". En outre, les techniques d'analyse actuellement utilisées en laboratoire nécessitent des quantités importantes de produits, ce qui est difficilement compatible avec les méthodes de synthèse actuelle. Pour pallier ces difficultés, une approche originale basée sur l'utilisation conjointe de glycooligonucléotide et de puces à ADN a été proposée. Les glycoconjugués basés sur des squelettes phosphodiesters et couplés à des séquences d'ADN ont été synthétisés en utilisant la chimie des oligonucléotides, couplée à la "click chemistry". La séquence d'ADN quant à elle a permis l'ancrage sur une puce à ADN et donc la mesure de leur affinité vis-à-vis de différentes lectines. Ce manuscrit rapporte le développement des nouvelles méthodologies de synthèse des glycooligonucléotides ainsi que la préparation de nombreux glycoconjugués originaux, dont l'affinité pour différentes lectines a été mesurée via l'utilisation de la puce à ADN. L'influence de plusieurs paramètres a été étudiée: le nombre de résidus, l'arrangement spatial, la lipophilie etc. Il s'avère que l'arrangement spatial semble être l'un des points les plus importants dans la mise au point d'un glycoconjugué. / The interactions between carbohydrates and lectins are generally the "key step" in many biological and pathological phenomena. Despite their importance, these interactions are paradoxically characterized by low affinity constants and requires multipresence of saccharide to be significant. This increase is called "cluster effect". In addition, the analysis techniques currently used in the laboratory requires large quantities of products, which is hardly compatible with the current methods of synthesis. To circumvent these difficulties, a original approach based on the combined use of glycooligonucleotides and DNA microarrays has been proposed. Glycoconjugates based on phosphodiester skeletons linked to DNA sequences have been synthesized using the chemistry of oligonucleotides, coupled with the "click chemistry". The DNA sequence has allowed the anchoring on a DNA chip and therefore the measurement of their affinity versus different lectins.This manuscript reports the development of new synthetic methodologies for the glycooligonucleotides synthesis and the preparation of many original glycoconjugates, whose affinity for various lectins was measured through the use of DNA microarray. The influence of several parameters was studied: the number of residues, the spatial arrangement, etc. lipophilicity. The spatial arrangement appears to be one of the most important parameters in the development of a glycoconjugate.

Candida albicans, endo-saprophyte du tube digestif, est responsable d’infections superficielles ou invasives. Les candidoses invasives (CI) constituent un problème persistant de santé publique avec une mortalité attribuable de 40% en réanimation et une morbidité exponentielle liée à la consommation d’antifongiques ou aux séjours prolongés des patients. Cet impact médico-économique est principalement lié aux difficultés diagnostiques. En effet, ni la symptomatologie, ni l’imagerie ne sont spécifiques des CI. Le diagnostic biologique demeure complexe et souvent tardif. Les tests conventionnels (hémoculture) sont peu sensibles, et les tests alternatifs à la culture manquent souvent de sensibilité ou de spécificité. Dans ce contexte, il est nécessaire de développer de nouvelles stratégies diagnostiques en mesure d’améliorer la précocité du diagnostic, d’identifier les sujets à haut risque d’infection et de permettre la mise en place d’un traitement antifongique approprié. Notre travail a porté sur deux médiateurs circulants de l’immunité anti-Candida, la mannose-binding lectin (MBL) et les anticorps anti- proteines (Ab) en relation le diagnostic des CI.En ce qui concerne la détection d’anticorps, nous avons produit 6 protéines recombinantes (Hwp1, Eno1, Hsp90, Fba1, Mp65 et Sod5), surexprimées pendant la phase pathogène de C. albicans et développés 5 prototypes de tests EIA. L’association de ces biomarqueurs avec la détection du mannane circulant (Mn) par EIA a permis d’identifier 3 protéines à fort potentiel diagnostique. Pour une spécificité fixée arbitrairement à 80%, la sensibilité des associations Fba1-Ab/Mn, Hwp1-Ab/Mn et Hsp90-Ab/Mn étaient de 84%, 84% et 81% respectivement. Le délai moyen de positivité était de 5 jours avant l’isolement de Candida d’hémoculture. Les Odds ratios associés aux trois combinaisons de marqueurs étaient de 108, 65 et 77 pour Fba1-Ab/Mn, Hwp1-Ab/Mn et Hsp90-Ab/Mn.En ce qui concerne la MBL, nous avons montré i) une évolution dynamique de la MBL au cours des CI, ii) une interaction directe avec le mannane pariétal de levure ainsi qu’une iii) prédisposition à la colonisation chez les patients déficients en MBL. Outre les aspects quantitatifs, nous avons mis en place un modèle d’évaluation fonctionnels de la MBL par resonance plasmonique de surface (SPR) en impliquant des cellules entières ou des glycannes fongiques issus de la paroi de C. albicans ou des oligommanosides de synthèse. Ce modèle nous a permis de mieux caractériser les épitopes reconnus par la MBL et de montrer l’interaction de cette lectine avec un panel d’espèces Candida communément isolées en pathologie humaine.Ces médiateurs de l’immunité humorale ou innée permettent d’envisager des perspectives cliniques en termes diagnostique ou pronostique. Ils permettent également d’améliorer notre compréhension de la physiopathologie des CI et d’optimiser la prise en charge des patients. / Candida albicans, digestive tract endo-saprophyte, is responsible of superficial and invasive infections. Invasive candidiasis (IC) is a persistent public health with an attributable mortality of 40% in intensive care unit and an exponential morbidity related to the antifungals consumption and extended hospital stays of patients. This medico-economic impact is mainly related to diagnostic difficulties. Indeed, neither clinical symptoms nor the imaging are specific of IC. Biological diagnosis remains complex and often late. Conventional tests (blood culture) have a low sensitivity, and non-culture based methods often lack sensitivity or specificity. In this context, it’s necessary to develop new diagnostic strategies to improve the early diagnosis, to identify patients with high risk of infection and to lead the prescription of an appropriate antifungal therapy. Our work has focused on two circulating anti-Candida immunity mediators, mannose-binding lectin (MBL) and anti-protein antibodies (Ab) in relation to IC diagnosis. Regarding the detection of antibodies, we produced six recombinant proteins (Hwp1, Eno1, Hsp90, FBA1, Mp65 and Sod5) overexpressed during the C. albicans pathogen phase and developed five prototypes of EIA. The association of these biomarkers with the detection of circulating mannan (Mn) revealed three proteins with high diagnostic performances. For a specificity fixed arbitrarily at 80%, the sensitivity of combinations of Fba1-Ab/Mn, Hwp1-Ab/Mn and Hsp90-Ab/Mn were 84%, 84% and 81%, respectively. The average delay of positivity was 5 days before isolation of Candida from blood culture. Odds ratios associated with these three combinations of markers were 108, 65 and 77 for Fba1-Ab/Mn, Hwp1-Ab/Mn and Hsp90-Ab/Mn, respectively. Our findings on serum MBL have shown i) dynamic evolution of MBL levels during IC, ii) direct interaction with circulating cell wall mannan and iii) susceptibility to colonization in MBL deficient patients. Besides quantitative aspects, we have developed a model for assessing the MBL functionality by surface plasmon resonance (SPR) involving whole cells, fungal cell wall glycans from C. albicans cell wall or synthetic oligommanosides. This model was used to better characterize the epitopes recognized by MBL and showed the interaction of this lectin with a panel of Candida species commonly isolated in human pathology.These mediators of innate or humoral immunity open new clinical perspectives in terms of diagnostic or prognosis of IC. These findings may participate to improve our understanding of IC pathophysiology and to optimize management of patients.

Pseudomonas aeruginosa est une bactérie pathogène opportuniste responsable de nombreuses maladies nosocomiales ainsi que d'infections graves chez les patients atteints de mucoviscidose ou chez immunodéprimés. La résistance aux antibiotiques observée chez de nombreuses souches fait de cette bactérie un pathogène difficile à éradiquer. Sa capacité à former un biofilm renforce en particulier cette résistance. Au cours de son processus infectieux, la bactérie utilise des lectines qui lui permettent de reconnaitre et de fixer spécifiquement les oligosaccharides présents en particulier sur les cellules hôte. Parmi elles, sont retrouvées la lectine soluble PA-IL (lectine à galactose) ainsi qu'une lectine fimbriale nouvellement identifiée, CupB6. Ces protéines seraient impliquées dans l'adhésion aux tissus de l'hôte et dans l'élaboration du biofilm. Nos travaux portent sur l'étude biochimique et structurale de ces deux lectines. Par des techniques de microcalorimétrie, de résonance plasmonique de surface et de cristallographie aux rayons X, le site de liaison du sucre de PA-IL a été parfaitement caractérisé, et de nombreux inhibiteurs dérivés du galactose ont pu être testés. D'autre part, nous avons exprimé Cup6 sous forme recombinante et nous avons étudié sa spécificité. Nos études ont montré que le sucre reconnu pourrait être le Lewis b et des études structurales sont en cours. Ces travaux s'inscrivent dans l'optique d'élaborer des glycomimétiques qui pourraient apporter une alternative aux antibiotiques.

Thesis--Leyden. / In Periodical Room.

Les gènes synthétiques des lectines des algues marines rouges Hypnea musciformis (HML) et Bryothamnion triquetrum (BTL) ont été clonés dans différents vecteurs et transformés dans plusieurs souches bactériennes d’expression. Les lectines recombinantes ont été obtenues dans la fraction soluble de cultures bactérienne dans les souches d’Escherichia coli Rosettagami 2 (DE3) pour rHML et BL21 (DE3) pour rBTL. Les tests d'hémagglutination ont montré que rHML et rBTL sont capables d’agglutiner les érythrocytes de lapin avec un bon pouvoir hémagglutinant mais seulement après traitement à la trysine et la papaine indiquant que leur ligands ne sont pas directement accessibles à la surface des hématies. Les propriétés hémagglutinantes de rHML et de rBTL confirment le repliement correct et l'état fonctionnel des protéines. La caractérisation de leur spécificité sur puces à sucres a montré une spécificité stricte de HML, BTL et rBTL pour les oligosaccharides complexes comportant la fucosylation (α1-6) du noyau, avec une préférence particulière pour les N-glycanes non bissectés, bi- et tri-antennés de chaîne courte. La présence d’acide sialique à l'extrémité non réductrice du glycane favorise la reconnaissance de ces glycanes. C'est la première caractérisation des lectines d’algues rouges par puce à sucres. Des expériences de STD-RMN menées sur BTL, ont montré son interaction avec un octasaccharide au niveau de noyau fucosylé (α1-6). L'activité toxique des lectines sauvages et recombinantes a été évaluée contre Artemia sp. et contre des cellules d'adénocarcinome du poumon (A549). Dans les essais de cytoxicité, HML, rHML, BTL et rBTL n’ont montré aucune toxicité contre Artemia sp. et seulement HML et rHML ont montré une cytotoxicité faibles contre les cellules d’adénocarcinome du poumon (A549). Le premier cristal de rBTL a été obtenu à l'aide d'un robot de cristallisation et diffractait à 15 Å. / Synthetic genes from the red marine algae Hypnea musciformis (HML) and Bryothamnion triquetrum (rBTL) were cloned into different vectors and transformed into several bacterial expression strains. The recombinant lectins were obtained from the soluble fraction of bacterial cultures using Escherichia coli Rosettagami 2 (DE3) strain for rHML and E. coli BL21 (DE3) strain for rBTL. Haemagglutination tests showed that rHML and rBTL are able to agglutinate rabbit erythrocytes with strong haemagglutination activity only after treatment with papain and trysine indicating that their ligands are not directly accessible at the cell surface. The haemagglutinating properties of rHML and rBTL confirm the correct folding and functional state of the proteins. A study of the specificity of these lectins by glycan array was conducted. HML, BTL and rBTL showed a restricted specificity for complex N-glycans with core (α1-6) fucose. A more detailed analysis of the specificity of these lectins showed a preference for non bisecting N-glycans, bi- and tri-antennary branching sugars with short chains. Addition of Sialic acid at the non-reducing end of N-glycans favors their recognition by the lectins. This is the first characterization of lectins from red algae by glycan array. An interaction between BTL and a core (α1-6) fucosylated octasaccharides was also observed by STD-NMR. The toxic activity of wild and recombinant lectins were evaluated against Artemia sp. and the human lung adenocarcinoma cell line (A549). In cytotoxicity assays, HML, rHML, BTL and rBTL showed no toxicity against Artemia sp. Only HML and rHML showed a low cytotoxic activity against cell line (A549). The first crystal of rBTL was obtained in micro-scale level using a robot and diffracted at 15 Å.

Pseudomonas aeruginosa (PA) est une bactérie présentant des résistances aux antibiotiques toute particulière. Elle est aujourd’hui largement impliquée dans de nombreuses maladies nosocomiales et dans l’infection de patients immunodéprimés. Les lectines sont des glycoprotéines formant des interactions faibles et réversibles avec les saccharides, et elles sont impliquées dans les mécanismes de protection et de virulence de la bactérie. Afin d’augmenter l’affinité des sucres pour celle-ci nous utilisons la multivalence conduisant à des leurres moléculaires ciblant les lectines I et II de PA. Notre stratégie consiste à synthétiser des glycoclusters conjugués à une étiquette ADN permettant leur criblage par des puces à ADN. Nous décrivons le design, la synthèse et l’assemblage des différents blocs de construction composant les glyco-oligonucléotides en s’appuyant sur la chimie "Click" (CuAAc) et la chimie oligonucléotidique. Le criblage des glyco-oligonucléotides est complété par des études de modélisation moléculaire et par RMN STD. Les meilleurs composés issus du criblage sont synthétisés sans leur étiquette ADN afin d’évaluer leur capacité inhibitrice de la formation du biofilm par PA. / Pseudomonas aeruginosa (PA) is a bacteria with a strong resistance to antibiotics.It’s an opportunistic germ involved in nosocomial infections and the infection of immunocompromised patients. Lectins are glycoproteins that bind saccharides reversibly with a low affinity. They are involved in bacteria protection mechanisms and virulence. In order to increase the affinity of saccharides to PA lectins I and II, we used multivalence and synthesized molecular decoys. Our strategy involves the synthesis of glycoclusters conjugated with a DNA tag in order to easily screen them on DNA arrays. We described here the design, the synthesis and the assembly of different building blocks allowing the synthesis of glyco-oligonucleotides,based on "Click" chemistry (CuAAc) and oligonucleotide chemistry. The screening of theglyco-oligonucleotides was completed by studies of molecular modelisation and by STD NMR.The best compounds from the screening were synthesized without the DNA tag in order to evaluate their abilities of inhibiting the biofilm formation of PA.

La glycomique est la science qui s’intéresse à l’étude structurelle et fonctionnelle des saccharides,également appelés hydrates de carbone (ou carbohydrates). Les saccharides (aussi appelés glycanes dans ce cas) sont impliqués dans un très grand nombre d’évènements biologiques « normaux » et/ou pathologiques. Les relations entre la structure du saccharide et ses fonctions biologiques sont étudiées à l’aide de techniques conventionnelles telles que la cristallographie, la RMN, l’ITC, la plasmonique de surface. Ces études sont longues et couteuses et restent souvent limitées du fait de la très grande diversité des structures saccharidiques et de la difficulté à obtenir des saccharides pures en quantité importante.Pour pallier ces difficultés, nous proposons d’adapter la technologie biopuce qui permet d’effectuer un nombre très élevé d’études en parallèle (High Throughput Screening) avec des quantités réduites de matériels biologiques ou biochimiques.Cette thèse vise donc le développement de puces à sucres (ou glycoarray, carbohydrate array) avec deux principales innovations : 1) l’utilisation comme sondes de glycomimétiques qui miment les hydrates de carbone naturels mais dont la synthèse est plus aisée ; 2) l’immobilisation des sondes glycomimétiquessur la puce via l’hybridation d’ADN.La synthèse à façon des glycomimétiques permet d’obtenir des sondes de structures et de naturechimique diverses et offre la possibilité d’ajouter pour chaque type de sondes une étiquette ADN pour d’une part immobiliser les glycomimétiques de manière orientée sur la puce par DDI (DNA DirectedImmobilisation) et d’autre part localiser et identifier les glycomimétiques sur la puce. Ces glycomimétiques ont été synthétisés par l’Institut des Biomolécules Max Mousseron de Montpellier en collaboration avec l’Institut de Chimie et Biochimie Moléculaire et Supramoléculaire de Lyon.Une première partie de ce travail a été de valider l’élaboration des puces à sucre puis d’augmenter les capacités d’analyses des glycoarrays basés sur la DDI. Pour cela l’efficacité de l’immobilisation par DDIa été comparée à une immobilisation covalente. Nos résultats ont montré une reconnaissance supérieure par la lectine RCA 120 de glycomimétiques immobilisés par DDI aux faibles concentrations englycomimétiques. La miniaturisation de la puce a consisté à graver 40 microréacteurs sur un format lame de microscope. Chaque microréacteur formant une puce de 64 plots différents, on peut ainsi réaliser 40expériences indépendantes. Grâce à ce type de glycoarrays, des tests d’IC50 ont permis d’obtenir des données quantitatives de l’affinité des glycomimétiques/lectines en utilisant d’infimes quantités de matériels biologiques. D’autre part, nous avons démontré la possibilité d’accélérer les études d’interactions sucres/lectines en poolant simultanément 8 glycomimétiques et 2 lectines.La deuxième partie de la thèse a été d’utiliser les glycoarrays pour étudier les paramètres structuraux(distribution spatiale, nature chimique de la molécule, charge…) permettant d’exacerber l’affinitélectines/glycomimétiques. Trois lectines ont été étudiées : RCA120 (lectine modèle d’origine végétale) et deux lectines PA-IL et PA-IIL facteurs de virulence de la bactérie Pseudomonas aeruginosa. Trois typesd’architectures de glycomimétiques (en peigne, en antenne et en couronne) ainsi que l’effet de la charge portée (+, -, neutre) ont été étudiés. L’architecture en peigne a clairement montré une affinité supérieure vis-à-vis des 2 lectines (PA-IL et PA-IIL) et PA-IL marque une préférence pour les structures chargées positivement. Soulignons que les interactions monovalentes sucres/lectines sont souvent faibles (mM). [...] / No abstract