L'objectif était d'effectuer la première synthèse total de Cyclothéonamide C (CTC), un pentapeptide macrocyclique, inhibiteur puissant des sérine protéases. Il a plusieurs motifs structuraux uniques, comprenant un vinylogue de déshydrotyrosine (V-deltaTyr) et une alpha-Cétohomoarginine (K-Arg). Le plus grand défi résidait à créer le résidu K-Arg ou un précurseur approprié alpha-Hydroxyhomoarginine (H-Arg) dans des intermédiaires peptidiques avancés. On propose trois stratégies différentes pour y parvenir : "Passerini-Acyl Migration" (PAM), "Masked Acyl Cyanide" (MAC) et "alpha-Keto-Acyl Cyanide" (KAC) . Une préparation préalable de peptides électrophiles et nucléophiles (aldéhydes et alpha-cétocyanophosphoranes ; amines et isonitiles) est nécessaire pour l'exécution des différentes stratégies. Les trois stratégies sont alors développées pour fournir des pentapeptides linéaires transformés ensuite en macrocycliques. Les étapes de déprotection et d'oxydation finissent formellement la synthèse de CTC

Un médicament, ou tout autre petite molécule biologique, agit sur l’organisme via des interactions chimiques qui se produisent avec d’autres macromolécules telles que les protéines qui régissent le fonctionnement des cellules. La détermination de l’ensemble des cibles, c’est à dire de l’ensemble des macromolécules susceptibles de lier une même molécule, est essentielle pour mieux comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine des effets d’un médicament. Cette connaissance permettrait en effet de guider la conception d’un composé pour éviter au mieux les effets secondaires indésirables, ou au contraire découvrir de nouvelles applications à des molécules connues. Les avancées de la biologie structurale nous permettent maintenant d’avoir accès à un très grand nombre de structures tridimensionnelles de protéines impliquées dans ces interactions, ce qui motive l’utilisation d’outils in silico (informatique) pour complémenter ou guider les expériences in vitro ou in vivo plus longues et plus chères.La thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre le laboratoire DAVID de l’Université de Versailles-Saint-Quentin, et l’entreprise Bionext SA qui propose une suite logicielle permettant de visualiser et d’étudier les interactions chimiques. Les travaux de recherches ont pour objectif de développer un algorithme permettant, à partir des données structurales des protéines, de déterminer des cibles potentielles pour un composé donné. L’approche choisie consiste à utiliser la connaissance d’une première interaction entre un composé et une protéine afin de rechercher par similarité d’autres protéines pour lesquelles on peut inférer la capacité à se lier avec le même composé. Il s’agit plus précisément de rechercher une similarité locale entre un motif donné, qui est la région permettant à la cible connue de lier le composé, et un ensemble de protéines candidates.Un algorithme a été développé, BioBind, qui utilise un modèle des surfaces des macromolécules issu de la théorie des formes alpha afin de modéliser la surface accessible ainsi qu’une topologie sur cette surface permettant la définition de régions en surface. Afin de traiter le problème de la recherche d’un motif en surface, une heuristique est utilisée consistant à définir des motifs réguliers qui sont une approximation de disques géodésiques et permettant un échantillonnage exhaustif à la surface des macromolécules. Ces régions circulaires sont alors étendues à l’ensemble du motif recherché afin de déterminer une mesure de similarité.Le problème de la prédiction de cibles est ramené à un problème de classification binaire, où il s’agit pour un ensemble de protéines données de déterminer lesquelles sont susceptibles d’interagir avec le composé considéré, par similarité avec la première cible connue. Cette formalisation permet d’étudier les performances de notre approche, ainsi que de la comparer avec d’autres approches sur différents jeux de données. Nous utilisons pour cela deux jeux de données issus de la littérature ainsi qu’un troisième développé spécifiquement pour cette problématique afin d’être plus représentatif des molécules pertinentes du point de vue pharmacologique, c’est-à-dire ayant des propriétés proches des médicaments. Notre approche se compare favorablement sur ces trois jeux de données par rapport à une autre approche de prédiction par similarité, et plus généralement notre analyse confirme que les approches par docking (amarrage) sont moins performantes que les approches par similarité pour le problème de la prédiction de cibles. / The action of a drug, or another small biomolecule, is induced by chemical interactions with other macromolecules such as proteins regulating the cell functions. The determination of the set of targets, the macromolecules that could bind the same small molecule, is essential in order to understand molecular mechanisms responsible for the effects of a drug. Indeed, this knowledge could help the drug design process so as to avoid side effects or to find new applications for known drugs. The advances of structural biology provides us with three-dimensional representations of many proteins involved in these interactions, motivating the use of in silico tools to complement or guide further in vitro or in vivo experiments which are both more expansive and time consuming.This research is conducted as part of a collaboration between the DAVID laboratory of the Versailles-Saint-Quentin University, and Bionext SA which offers a software suite to visualize and analyze chemical interactions between biological molecules. The objective is to design an algorithm to predict these interactions for a given compound, using the structures of potential targets. More precisely, starting from a known interaction between a drug and a protein, a new interaction can be inferred with another sufficiently similar protein. This approach consists in the search of a given pattern, the known binding site, across a collection of macromolecules.An algorithm was implemented, BioBind, which rely on a topological representation of the surface of the macromolecules based on the alpha shapes theory. Our surface representation allows to define a concept of region of any shape on the surface. In order to tackle the search of a given pattern region, a heuristic has been developed, consisting in the definition of regular region which is an approximation of a geodesic disk. This circular shape allows for an exhaustive sampling and fast comparison, and any circular region can then be extended to the actual pattern to provide a similarity evaluation with the query binding site.The target prediction problem is formalized as a binary classification problem, where a set of macromolecules is being separated between those predicted to interact and the others, based on their local similarity with the known target. With this point of view, classic metrics can be used to assess performance, and compare our approach with others. Three datasets were used, two of which were extracted from the literature and the other one was designed specifically for our problem emphasizing the pharmacological relevance of the chosen molecules. Our algorithm proves to be more efficient than another state-of-the-art similarity based approach, and our analysis confirms that docking software are not relevant for our target prediction problem when a first target is known, according to our metric.

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Ce mémoire présente la mise en place des techniques de fluorescence en milieu biologique pour mieux comprendre le principe des interactions entre macromolécules biologiques ainsi que leurs mécanismes catalytiques. Dans ce contexte, nous avons appliqué trois méthodes d'analyse de la fluorescence. Une première technique d'analyse dynamique, la spectroscopie de cross-corrélation de fluorescence, basée sur des mesures en micro-volume et sur une faible concentration moléculaire, a essentiellement été appliquée à étudier l'activité hélicase en mesurant la corrélation croisée des fluctuations de fluorescence entre deux molécules d'ADN complémentaires. En particulier, l'activité d'hélicase de la protéine E.Coli RecQ et l'activité d'annealing pour la protéine RecQ5 humaine ont été étudiées. Les performances de la technique FCCS pour appréhender l'étude des activités enzymatiques de la famille des hélicases RecQ ont été validées par nos résultats. Une deuxième technique d'analyse dynamique qui nous permet de mesurer l'anisotropie de fluorescence statique a été appliquée pour comprendre l'effet de deux voies de résistances au Raltégravir (N155H et G140S/Q148H) sur la réplication virale du virus VIH-1 et sur les propriétés enzymatiques de l'intégrase du VIH (INs). Les applications de cette technique nous ont permis de démontrer la mutation Q148H joue un rôle prépondérant pour la résistance au Raltegravir, tandis que la mutation G140S augmente la fitness virale dans le contexte de la double mutation G140S/Q148H. Une troisième technique d'analyse dynamique, le déclin de la photo luminosité résolue en temps de la fluorescence, a été appliquée à caractériser les propriétés de fluorescence de nanocristaux de CdTe couronnés par MPA. Cette approche a confirmé les avantages des nanocristaux et leurs applications pour le marquage de fluorescence. En conclusion, ce mémoire inclus les principes et les applications variées des techniques de fluorescence qui sont engagées à intégrer la domaine différente (lumière, photoniques et biologie) dans la même domaine biophotonique.

L'attention de la communauté scientifique, ainsi que le développement, pour les bioprocédés dédiés à la culture et à l'expansion de cellules souches mésenchymateuses (MSCs) pour la thérapie cellulaire et la médecine régénérative a considérablement grandi pendant ces dernières décennies. Une plus ample compréhension du lien entre la structure, la fonction et les propriétés des suspensions de cellules mésenchymateuses est devenue de première importance. Dans cette thèse, nous présentons tout d'abord les résultats d'une étude expérimentale portant sur l'écoulement de suspensions concentrées de cellules vivantes d'origine mésenchymateuse pour une grande gamme de concentration cellulaire. Nous caractérisons l'évolution de la viscosité relative en fonction de la contrainte de cisaillement appliquée pour des fractions volumiques cellulaires allant de 20 à 60%. Ces matériaux ont des empreintes rhéologiques compliquées mais très reproductibles, incluant des comportements de fluide à seuil, rhéofluidifiants ainsi que des fractures liées à la contrainte de cisaillement. Les propriétés rhéologiques de la suspension sont ensuite étudiées avec l'addition d'acide hyaluronique (HA), une biomolécule avec des séquences d'adhésion pour des récepteurs à la surface des cellules étudiées. Nous montrons que l'addition d'acide hyaluronique modifie substantiellement le comportement de la suspension et nous permet de contrôler les propriétés d'écoulement de la suspension à toutes les fractions volumiques. Cytométrie de flux et imagerie confocal à l'appui, nous montrons que l'effet observé est dû à un important changement dans la formation d'agrégats cellulaires dans la suspension, et donc dans l'envergure du réseau correspondant. La troisième partie de cette thèse porte sur l'ajout de polyéthylène glycol, une molécule qui n'est pas naturellement présente dans l'organisme mais fréquemment utilisée dans la formulation d'hydrogel. En utilisant trois types de PEG, l'influence de la charge des molécules est étudiée. Les résultats montrent que la charge est un paramètre important dans le contrôle des propriétés d'écoulement de suspensions cellulaires, car déterminant dans la formation et la compacité des agrégats. En considérant les agrégats comme des objets fractals, nous montrons qu'en prenant en compte les modifications de fractions volumiques avec le cisaillement, nous pouvons obtenir une courbe maitresse pour l'ensemble des conditions testées, et en extraire la force d'adhésion moyenne entre les cellules, au travers une population de plusieurs millions de cellules. Cette étude livre de nouveaux aspects sur la complexité des propriétés en écoulement de suspensions de cellules méchymateuses, adhérentes et concentrées, sur leur sensibilité à l'ajout de molécules, qu'elles soient naturellement présentes dans les tissues ou non, ainsi qu'une nouvelle méthode pour mesurer la force d'adhésion entre les cellules.

Ce manuscrit d'HDR regroupe dans une première partie certains de mes travaux sur la /mise en œuvre, la structure et la fonctionnalité à l'échelle nano de/macromolécules, colloïdes et nanoparticules aux surfaces et interfaces. Dans une deuxième partie, j'expose brièvement les directions que j'explore actuellement autours des surfaces fonctionnelles à partir de l'assemblage contrôlé de briques élémentaires organiques et/ou inorganiques et de texturation de surface à diverses échelles.

L'attention de la communauté scientifique, ainsi que le développement, pour les bioprocédés dédiés à la culture et à l'expansion de cellules souches mésenchymateuses (MSCs) pour la thérapie cellulaire et la médecine régénérative a considérablement grandi pendant ces dernières décennies. Une plus ample compréhension du lien entre la structure, la fonction et les propriétés des suspensions de cellules mésenchymateuses est devenue de première importance. Dans cette thèse, nous présentons tout d'abord les résultats d'une étude expérimentale portant sur l'écoulement de suspensions concentrées de cellules vivantes d'origine mésenchymateuse pour une grande gamme de concentration cellulaire. Nous caractérisons l'évolution de la viscosité relative en fonction de la contrainte de cisaillement appliquée pour des fractions volumiques cellulaires allant de 20 à 60%. Ces matériaux ont des empreintes rhéologiques compliquées mais très reproductibles, incluant des comportements de fluide à seuil, rhéofluidifiants ainsi que des fractures liées à la contrainte de cisaillement. Les propriétés rhéologiques de la suspension sont ensuite étudiées avec l'addition d'acide hyaluronique (HA), une biomolécule avec des séquences d'adhésion pour des récepteurs à la surface des cellules étudiées. Nous montrons que l'addition d'acide hyaluronique modifie substantiellement le comportement de la suspension et nous permet de contrôler les propriétés d'écoulement de la suspension à toutes les fractions volumiques. Cytométrie de flux et imagerie confocal à l'appui, nous montrons que l'effet observé est dû à un important changement dans la formation d'agrégats cellulaires dans la suspension, et donc dans l'envergure du réseau correspondant. La troisième partie de cette thèse porte sur l'ajout de polyéthylène glycol, une molécule qui n'est pas naturellement présente dans l'organisme mais fréquemment utilisée dans la formulation d'hydrogel. En utilisant trois types de PEG, l'influence de la charge des molécules est étudiée. Les résultats montrent que la charge est un paramètre important dans le contrôle des propriétés d'écoulement de suspensions cellulaires, car déterminant dans la formation et la compacité des agrégats. En considérant les agrégats comme des objets fractals, nous montrons qu'en prenant en compte les modifications de fractions volumiques avec le cisaillement, nous pouvons obtenir une courbe maitresse pour l'ensemble des conditions testées, et en extraire la force d'adhésion moyenne entre les cellules, au travers une population de plusieurs millions de cellules. Cette étude livre de nouveaux aspects sur la complexité des propriétés en écoulement de suspensions de cellules méchymateuses, adhérentes et concentrées, sur leur sensibilité à l'ajout de molécules, qu'elles soient naturellement présentes dans les tissues ou non, ainsi qu'une nouvelle méthode pour mesurer la force d'adhésion entre les cellules. / With the rapidly growing interest in the development of bioprocess systems to culture and expand mesenchymal stromal cells (MSCs) for cell therapy and regenerative medicine applications, greater understanding of the structure-function-property characteristics of mesenchymal cell suspensions is required. In this thesis, the results of a detailed experimental study into the flow behaviour of concentrated suspensions of living mesenchymal cells over a wide range of cell concentrations and in the presence of two macromolecules (hyaluronic acid and polyethylene glycol) often used in cellular therapy applications are presented. The change in the shear viscosity as a function of shear stress and shear rate for cell volume fractions varying from 20 to 60% are firstly presented, showing that these suspensions exhibit highly complex but reproducible rheological footprints, including yield stress, shear thinning and shear-induced fracture behaviours. The rheological properties of the suspension with the addition of hyaluronic acid (HA), a biomolecule with adhesion sequences for receptors on these types of cells, was then investigated. With the addition of HA, the rheology of these cell suspensions is significantly modified at all volume fractions. Using FACS and confocal imaging, we show that the observed effect of HA addition is due to it significantly modulating the formation of cellular aggregates in these suspensions, and thus the resultant volume spanning network. This understanding permits the rheology of concentrated mesenchymal cell suspensions to be tailored to suit particular processing scenarios. The third part of this project focused on the addition of polyethylene glycol, a molecule which is not naturally present in tissues but commonly utilised in hydrogels as injectable delivery vehicles for cells to sites of tissue damage. Using three different kinds of PEG, the influence of the charge of the molecules is investigated. The results show the charge is also a crucial parameter to tailor the flow behaviour of cell suspension when biomacromolecules are added, influencing the formation and the compactness of the cellular aggregates. Considering the aggregates as fractal structures, and by taking into account the changes in volume fractions with shear, a master curve for the range of conditions investigated was successfully achieved through the use of an analytical model. Critically, this model also permitted the estimation of the average adhesion force between cells, across a population of millions of cells. The outcomes of this study not only provide new insight into the complexity of the flow behaviours of concentrated, dynamically adhesive mesenchymal cell suspensions, and their sensitivity to associative biomolecule and synthetic molecule addition, but also a novel, rapid method by which to estimate adhesion forces between cells.

Le radiomarquage des macro-biomolécules au fluor-18 représente un défi majeur en radiochimie vu leur importance en imagerie moléculaire. Les macro-biomolécules et en particulier les peptides offrent une diversité moléculaire et un ciblage in vivo souvent plus spécifiques et sélectifs que les molécules de plus faibles poids moléculaires. Cependant, les conditions standards de radiomarquage au fluor-18 seraient destructrices pour de tels composés et ne peuvent être utilisées directement. Peu de méthodes directes de radiomarquage existent et présentent certains inconvénients (température encore élevée, activité molaire faible, méthodes peu versatiles…). C’est pourquoi, le radiomarquage par approche prosthétique en deux étapes reste une méthode de choix. Cette stratégie séquentielle implique tout d’abord la préparation d’une molécule radiofluorée, appelée groupe prosthétique, puis sa conjugaison à la macro-biomolécule dans des conditions chimiques biocompatibles. L’objectif de ce travail de thèse a consisté à développer de nouvelles méthodes générales de radiomarquage de macro-biomolécules visant in fine des applications de radiomarquage direct in vivo. Les enjeux principaux ont été la diminution du temps de marquage pour améliorer les procédés de radiosynthèse compte tenu de la demi-vie du fluor-18 (109,8 min), le besoin d’automatisation ainsi que la vitesse et la bioorthogonalité des réactions de conjugaison pour des applications en milieu complexe et dilué. Tout d’abord, l’étude de trois réactions de chimie click, CuAAC, SPAAC et SPSAC, de vitesse et de biocompatibilité croissantes a été considérée. Le développement de groupes prosthétiques spécifiques de chacune d’entre elles ainsi que leur conjugaison sur des composés modèles ont ensuite été étudiés. Par la suite, une étude méthodologique sur la radiofluoration de pyridines substituées a été initiée afin d’obtenir des entités radiomarquables dans des conditions suffisamment douces permettant la « pré-conjuguaison » à la macro-biomolécule avant l’étape de radiofluoration. Enfin, l’utilisation d’un étiquetage enzymatique, le SNAP-tag, a également été explorée et un substrat radiofluoré spécifique synthétisé. Ces différentes approches ont permis d’élargir le panel des méthodes permettant un radiomarquage efficace et biocompatible de macro-biomolécules. / Fluorine-18 radiolabeling of biologics is a challenge in radiochemistry due to their increasing interest in molecular imaging. Biologics, and particularly peptides, offer molecular diversity and often higher specific and selective in vivo targeting compared to low molecular weight molecules. However, fluorine-18-radiolabeling standard conditions could not be used directly because biologics would suffer from these drastic conditions. Only a few direct radiolabeling methods are available and present some drawbacks (high temperature, low molar activity, lack of versatility…). Therefore, a two-steps prosthetic radiolabeling approach remains the method of choice. This sequential strategy involves the preparation of a fluorine-18-labeled molecule, called prosthetic group, which is then conjugated with the macromolecule in biocompatible chemical conditions. The aim of this PhD work was to develop new general methods for the radiolabeling of biologics directed toward in vivo radiolabeling applications. Major issues were time and radiosynthesis processes with regard to the fluorine-18 half life, automatization as well as constant rate and bioorthogonality of conjugation reactions for applications in complex and diluted environment.The first part is devoted to the study of three click chemistry reactions, CuAAC, SPAAC and SPSAC leading to enhanced reaction rates and biocompatibility. Specific prosthetic groups were developed for each reaction and their conjugation was studied with model compounds. Furthermore, a methodological study involving the radiofluorination of substituted pyridines was initiated for the production of entities for mild radiolabeling conditions compatible with a “pre-conjugation” to the biologics before radiofluorination. Finally, an enzymatic labeling approach using the SNAP-tag self-labeling enzyme was explored and a specific radiofluorinated substrate was synthesized. These different approaches allowed an extent of the panel of methods for effective and biocompatible radiolabeling of biologics.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L'objectif principal de cette thèse a été d'étudier et de développer les méthodes électrophorétiques pour la détermination de la charge effective de petits ions, de (bio)macromolécules et de nanoparticules. En effet, la charge effective est un paramètre physico-chimique qui contrôle les interactions électrostatiques et qui permet d'accéder aux taux de condensation des contre-ions dans le cas de polyélectrolytes. Dans une première partie, différents modèles sur la mobilité électrophorétique (Nernst-Einstein, O'Brien-White-Ohshima, Yoon-Kim) ont été comparés pour la détermination de la charge effective à partir des valeurs expérimentales de mobilité électrophorétique et de rayon hydrodynamique. Trois autres méthodes expérimentales basées sur la sensibilité de détection UV en mode indirect, sur la sensibilité de détection en conductimétrie et sur la longueur des zones isotachophorétiques ont été étudiées. Ces méthodes ont été appliquées en particulier à la détermination de la charge effective de dendrimères greffés de la lysine et de polymères utilisés en délivrance de principe actif.Une étude du comportement électrophorétique en fonction de la force ionique nous a mené à proposer une représentation graphique, appelée « slope-plot », permettant de distinguer les solutés en fonction de leur nature (petits ions, polyélectrolytes, nanoparticules). Cette représentation peut s'avérer très utile pour l'optimisation des séparations en électrophorèse capillaire en fonction de la force ionique. / The main objective of this thesis was to study and develop electrophoretic methods for effective charge determination of small ions, (bio)macromolecules and nanoparticles. Effective charge is a physical parameter that controls the electrostatic interactions and allows for the determination of condensed counter-ion fraction in the case of polyelectrolytes. In a first part, different models of electrophoretic mobility (Nernst-Einstein, O'Brien-White-Ohshima, Yoon-Kim) have been compared for effective charge determination from experimental values of electrophoretic mobility and hydrodynamic radius. Three other experimental methods based on the sensitivity of UV detection in indirect mode and in conductivity detection, or on the length of the isotachophoretic zones, were studied. These methods were applied to effective charge determination of dendrigraft poly-L-lysines and on drug delivery polymeric systems. A study of the ionic strength dependence of the electrophoretic mobility leads us to propose a graphical representation, called the slope-plot, allowing for the distinction between solutes according to their nature (small ions, polyelectrolytes, nanopaticles). The slop-plot can also be used for the optimization of electrophoretic separations according to the ionic strength.