Ces travaux de thèse s'inscrivent dans un projet à long terme visant à développer de nouveaux outils nécessaires à l'élucidation de mécanismes biologiques impliquant des interactions de type protéine-protéine mettant en jeu des structures secondaires protéiques de type polyproline II (PPII). En particulier, nous nous sommes intéressés à la conception, synthèse et valorisation de spirolactames originaux capables de mimer une hélice PPII, point de départ dans la recherche de nouvelles molécules d'intérêts thérapeutiques. Cette structure secondaire unique, caractéristique des ligands SH3, joue un rôle essentiel dans certaines activités biologiques telles que les phénomènes de reconnaissance, la transduction de signal, la transcription, la mobilité cellulaire, les réponses immunitaires et se trouve aussi impliquée dans des pathologies majeures telles que le SIDA, la Maladie d'Alzheimer et plusieurs tumeurs cancéreuses. Face à l'importance des structures secondaires PPII dans des cibles d'intérêt thérapeutique, dans les phénomènes de reconnaissance protéine-protéine, et face à l'absence dans la littérature de mimes PPII pertinents, ces travaux se sont attachés à l'élaboration et la valorisation d'outils PPII contraints, stables vis-à-vis de la dégradation protéasique. Ils nous ont tout d'abord permis de développer un accès stéréocontrôlé à une plateforme spiro [4,4] inédite, en nous appuyant sur une réaction de contraction de cycle développée récemment dans notre groupe, le réarrangement transannulaire de lactames activés (TRAL). Les études de dynamique moléculaire, et de dichroïsme circulaire nous ont permis de démontrer que certains des composés spiro synthétisés adoptent une structure "PPII-like", d'autres semblent au contraire se structurer en coude bêta. / This work is part of a long term project with the aim to develop new tools for the elucidation of biological mechanisms involving protein-protein interactions with the participation of the protein secondary structure named polyproline type II (PPII). In particular, we are interested in the design, the synthesis and the development of original spirolactams as first mimics of PPII helix, the starting point in the discovery of new compounds of therapeutic interest. This unique secondary structure, characteristic of SH3 ligands, plays a critical role in various biological activities such as the phenomena of recognition, signal transduction, transcription, cell motility, immune responses and is also involved in major diseases such as AIDS, Alzheimer's disease and several carcinogenic tumors. Regarding the importance of the PPII secondary structures in targets of therapeutic interest and in the phenomena of protein-protein recognition, and observing the absence in the literature relevant PPII mimics, this thesis have focused on the development of constrained PPII tools, stable versus protease degradation. This work first allowed us to develop an stereocontroled access to a novel spiro [4.4] scaffold, relying on a new ring contraction reaction recently developed in our group, namely transannular rearrangement of activated lactams (TRAL) . Studies of molecular dynamics, and circular dichroism have demonstrated that some of the synthesized spiro compounds adopt a "PPII-like" structure, others seems to be structured in beta-turn.

Due to inherent rigidity of oligoproline peptides, forcing the C- and N-terminus in proximity for cyclization can be of significant challenge. To address this issue, a cyclization condition involing the help of amphoteric aziridine aldehydes has been developed. This one step cyclization protocol generally proceeds in high yields and goes to completion in relatively short period of time. Despite their cyclic nature, the resulting molecules display spectroscopic characteristics of polyproline II helices. These macrocycles should facilitate systematic studies of various conformational states of polyproline-containing protein regions.

Due to inherent rigidity of oligoproline peptides, forcing the C- and N-terminus in proximity for cyclization can be of significant challenge. To address this issue, a cyclization condition involing the help of amphoteric aziridine aldehydes has been developed. This one step cyclization protocol generally proceeds in high yields and goes to completion in relatively short period of time. Despite their cyclic nature, the resulting molecules display spectroscopic characteristics of polyproline II helices. These macrocycles should facilitate systematic studies of various conformational states of polyproline-containing protein regions.

Les acides α-aminés non naturels forment une famille de composés incontournables pour la conception de peptidomimétiques. Plus précisément, l'utilisation du silicium comme isostère du carbone sur la chaîne latérale des acides α-aminés a été largement reportée dans la littérature, montrant alors l'importance d'une telle modification. En particulier, compte tenu du rôle fondamental que joue la proline dans la structuration des peptides, et des avantages que peut apporter le silicium, il nous a paru intéressant de nous centrer sur la silaproline. Après avoir mis au point une synthèse permettant la production de la silaproline à grande échelle, nous avons mis au point la préparation d'homopolypeptides de ce résidu particulier. Dans un premier temps des oligomères monodisperses de silaproline ont été synthétisés. L'étude structurale par RMN, CD et modélisation moléculaire a permis de confirmer la conformation préférentielle en hélice polyproline de type II (PPII). Ensuite la synthèse de polymères plus longs, obtenus par polymérisation de N-carboxyanhydrides a été développée. Ces nouveaux biopolymères ainsi préparés ont conduit à des mimes de PPII lipophiles. Enfin, une nouvelle voie de polymérisation, dans des conditions douces, par réaction d'esters, a été optimisée, permettant d'accéder facilement à des polypeptides. / Unnatural α-amino acids form a family of essential compounds for the design of peptidomimetics. More specifically, the use of silicon as an isostere of carbon on the side chain of α-amino acids has been widely reported in the literature, while demonstrating the importance of this modification. In particular, the fundamental role of proline in peptide structures, and the advantage of the silicon, promoted us to focus on the silaproline.After the development of a gram scale synthesis of silaproline, we prepared homopolypeptides of this particular residue. Firstly, monodisperse silaproline oligomers were synthesized. The structural study by NMR, CD and molecular modeling confirmed the conformational preference for polyproline type II helix (PPII). Then longer polymers were obtained by polymerization of N-carboxyanhydrides. These new biopolymers were prepared, leading to more lipophilic PPII mimics.Finally, a new way of polymerization by reacting esters under mild conditions has been optimized for easy access to polypeptides.

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans un projet à long terme concernant le développement de nouvelles réactions de contraction de cycle originales afin d'accéder à des édifices moléculaires organisés à activités biologiques potentielles. Généralement découvertes de manière fortuite, les réactions de contraction de cycle sont des réarrangements offrant l'avantage de modifier rapidement le squelette des molécules et permettant donc un accès facile à des analogues structurels, une propriété intéressante et utile aussi bien en chimie de synthèse qu'en chimie médicinale. Dans cette optique, trois réactions de contraction de cycle différentes ainsi que leurs applications seront rapportées dans ce manuscrit. La première décrit la réactivité particulière des bis-Boc 2,5-dicétopipérazines (DKPs) en milieu basique et leur conversion en hydantoïnes, deux squelettes hétérocycliques d'intérêt pharmacologique. Ce nouveau réarrangement a été appliqué à différentes DKPs avec des rendements satisfaisants et de bons excès énantio- ou diastéréoiso-mériques. L'intérêt des bis-Boc DKPs en tant que plateforme de départ dans la construction de structures complexes a ensuite été démontré lors de l'obtention de spirolactames grâce à l'utilisation de la réaction de réarrangement transannulaire de lactames activés (TRAL) et la mise au point d'une stratégie de cyclisation rapide et efficace. Après dimérisation de ces bicycles, les études par dichroïsme circulaire, RMN et modélisation moléculaire ont mis en évidence un comportement similaire à celui d'hélices de polyproline II (PPII), des structures peptidiques secondaires largement impliquées dans les interactions protéine-protéine et dans des processus pathogènes. Afin de valider le potentiel de mimes de nos dimères, une fonctionnalisation de ces substrats s'est avérée nécessaire, qui a été en partie réalisée grâce à la découverte d'une nouvelle réaction de contraction de cycle. Effectuée à chaud dans plusieurs solvants et en présence d'un catalyseur de type triflate, ce réarrangement permet la conversion de quelques bicycles accolés en spirocycles avec de bons rendements. L'intérêt de ces travaux réside ainsi sur l'utilisation de 2,5-dicétopipérazines activées comme substrat de départ et démontre la gamme d'applications multiples des réactions de contraction de cycle. / This work is part of a long-term project aiming to develop new and original ring contraction reactions to access organised molecular edifices with potential biological activities. Ring contraction reactions are usually discovered in a fortuitous manner and present the advantage of rapid and efficient modifications of the molecular skeletons, allowing thus an easy access to structural analogues, a useful and interesting property both in terms of synthetic and medicinal chemistry. With this aim in mind, three different ring contraction reactions, as well as their uses, are reported in this manuscript. The first one describes the particular reactivity of bis-Boc 2,5-diketopiperazines (DKPs) in a basic medium and their conversion into hydantoins, two heterocyclic skeletons with pharmacological interest. This new rearrangement has been applied to several DKPs with acceptable yields and good enantio- or -diasteroiso-meric excesses. The interest of bis-Boc DKPs as starting platforms for the construction of complex structures has later been demonstrated with the obtaining of spirolactams thanks to the use of the transannular rearrangement of activated lactams (TRAL) reaction followed by a fast and efficient ring-synthesis strategy. The studies by circular dichroism, NMR and molecular modelling performed after the dimerisation of those bicycles showed a similar behaviour to the one of polyproline II (PPII) helix, a secondary peptidic structure involved in protein-protein interactions and in pathogenic processes. A functionalization of our dimer then turned out to be necessary in order to validate the mimic potential of our dimers, which was done in part thanks to the discovery a new ring contraction reaction. In the presence of a triflate catalyst in various solvents under high temperatures this rearrangement allows a clean conversion of some fused bicycles into spirocycles with good yields. The interest of this work thus lies in the use of activated 2,5-diketopiperazines as starting materials and demonstrates the wide range of applications of ring contraction reactions.

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Ces travaux de thèse s'inscrivent dans un projet à long terme concernant le développement de nouvelles réactions de contraction de cycle originales afin d'accéder à des édifices moléculaires organisés à activités biologiques potentielles. Généralement découvertes de manière fortuite, les réactions de contraction de cycle sont des réarrangements offrant l'avantage de modifier rapidement le squelette des molécules et permettant donc un accès facile à des analogues structurels, une propriété intéressante et utile aussi bien en chimie de synthèse qu'en chimie médicinale. Dans cette optique, trois réactions de contraction de cycle différentes ainsi que leurs applications seront rapportées dans ce manuscrit. La première décrit la réactivité particulière des bis-Boc 2,5-dicétopipérazines (DKPs) en milieu basique et leur conversion en hydantoïnes, deux squelettes hétérocycliques d'intérêt pharmacologique. Ce nouveau réarrangement a été appliqué à différentes DKPs avec des rendements satisfaisants et de bons excès énantio- ou diastéréoiso-mériques. L'intérêt des bis-Boc DKPs en tant que plateforme de départ dans la construction de structures complexes a ensuite été démontré lors de l'obtention de spirolactames grâce à l'utilisation de la réaction de réarrangement transannulaire de lactames activés (TRAL) et la mise au point d'une stratégie de cyclisation rapide et efficace. Après dimérisation de ces bicycles, les études par dichroïsme circulaire, RMN et modélisation moléculaire ont mis en évidence un comportement similaire à celui d'hélices de polyproline II (PPII), des structures peptidiques secondaires largement impliquées dans les interactions protéine-protéine et dans des processus pathogènes. Afin de valider le potentiel de mimes de nos dimères, une fonctionnalisation de ces substrats s'est avérée nécessaire, qui a été en partie réalisée grâce à la découverte d'une nouvelle réaction de contraction de cycle. Effectuée à chaud dans plusieurs solvants et en présence d'un catalyseur de type triflate, ce réarrangement permet la conversion de quelques bicycles accolés en spirocycles avec de bons rendements. L'intérêt de ces travaux réside ainsi sur l'utilisation de 2,5-dicétopipérazines activées comme substrat de départ et démontre la gamme d'applications multiples des réactions de contraction de cycle.

Il est connu que les 4,5-méthano-L-prolines ont des conformations et des caractéristiques différentes que la L-proline. L’aplatissement du cycle pyrrolidine dans la proline joue un rôle important dans sa stabilité et la conformation spatiale des analogues 4,5-méthano- de la L-proline. Ainsi, des études approfondies ont été menées pour analyser les différences de structure et les modèles de pliage des cis- et trans-4,5-méthano-L-prolines et leurs oligomères en corrélation avec la délocalisation électronique n→π∗ entre les carbonyles adjacents. Dans cette thèse, la stabilisation n→π∗ entre les groupes carbonyl d’une amide et un ester a été analysée, divulguant des propriétés structurelles supplémentaires des 4,5-méthano-L-prolines. Les études spectroscopiques en RMN ont révélé les caractéristiques spatiales des cis- and trans-4,5-méthano-L-prolines corrélant avec l’équilibre d’isomérisation de l’amide trans : cis dans des environnements différents. En outre, le mécanisme de la cyclisation intramoléculaire des dimères cis-cis, trans-trans, et du mélange trans,cis-4,5-méthano-L-proline dans la formation des dicétopipérazines a révélé l'importance de la stabilisation n→π∗ sur les caractéristiques conformationnelles et de pliage. Des études de modélisation DFT ont également été menées afin de compléter nos résultats et de fournir des explications soutenant nos résultats expérimentale. / It is well known that 4,5-methano-L-prolines have different conformational properties and characteristics than proline. The flattening of the pyrrolidine ring plays a role in the stability and conformation of L-proline methanologs. Thus, extensive studies have been conducted to analyze the structural differences and folding patterns of cis- and trans-4,5-methano-L-prolines and their oligomers in correlation with the n→π∗ electron delocalization between the adjacent carbonyls of amide and ester groups. In this thesis, the n→π∗ stabilization of each derivative is analyzed, disclosing additional structural properties of 4,5-methano-L-prolines. NMR spectroscopic studies revealed the spatial characteristics of cis- and trans-4,5-methano-L-prolines in correlation to the amide trans : cis isomerization equilibrium in different solvents. In addition, the tendency of diketopiperazine formation from the cis-cis, trans-trans, and mixed trans,cis-4,5-methano-L-proline dimers reflected the importance of the n→π∗ stabilization on the conformation and folding characteristics.

Our investigation was focused on a secondary protein structure called polyproline I. This helical structure has been known for a long time, but its occurrence and significance in nature is not yet fully known. In this thesis, we use Raman spectroscopy and chiral sensitive Raman optical activity. These methods are sensitive to the structure of proteins but are more informative and sensitive to the local arrangement than the commonly used ECD and UV absorption. We were able to obtain polyproline I Raman and ROA spectra that have not yet been published. We have described important differences between the spectra of polyproline I and II and observed the process of mutarotation. The experimental part of the work is supplemented by quantum chemistry calculations of spectra using the transfer of molecular property tensor. The calculated spectra corresponded very well with the experimental spectra.

<p>Pathogenic bacteria present a critical threat to modern medicine. Therapeutic strategies to target and eliminate resilient bacteria are not advancing at the same rate as the emergence of bacterial resistance. An associated urgent concern regarding antibiotic resistance is the existence and proliferation of intracellular bacteria, which find refuge from bactericidal mechanisms by hiding within mammalian cells. Therefore, many once-successful antibiotics become ineffective through the development of resistance, or through failure to reach intracellular locations in therapeutic concentration. To overcome these challenges, the covalent combination of a conventional antibiotic with an antibiotic, cell-penetrating peptide was explored to develop dual-action antibiotic conjugates. </p> <p>Herein, we utilized a strategy in conjugating the antibiotics by a cleavable linkage to cationic amphiphilic polyproline helices (CAPHs) to improve vancomycin and linezolid antibiotics. This approach enables the conjugate to penetrate cells and deliver two potent monomeric antimicrobial drugs. The vancomycin-CAPH conjugate, <b>VanP14S</b>, showed enhanced mammalian cell uptake compared to vancomycin, a poor mammalian cell-penetrating agent; and <b>VanP14S</b> was capable of cleaving and releasing two antibiotics under mimicked physiological conditions. Enhanced antibacterial activity was observed against a spectrum of Gram-positive and Gram-negative pathogens, including drug-resistant strains. Further investigation revealed that this conjugate’s bactericidal activity was not entirely the result of significant membrane perturbation such as a lytic mode of action. Mammalian cell toxicity and red blood cell lysis were insignificant at relevant bactericidal concentrations below 20 µM. The current results suggest an enhanced binding to the peptidoglycan of bacteria, the target of vancomycin, although more work is needed to justify this claim. Preliminary results on <b>VanP14GAPS</b>, a conjugate with a more rigid CAPH, convey similar activity to <b>VanP14S; </b>however,<b> </b>moderate increases in red blood cell lysis and cytotoxicity were observed. </p> <p>Regarding the <b>LnzP14</b> conjugate, preliminary data reveal that the conjugate has Gram-negative activity against <i>Escherichia coli</i>, whereas linezolid is ineffective in killing Gram-negative bacteria. This conjugate showed significant enhancement in cellular uptake compared to the CAPH, and the release of linezolid and CAPH in physiological conditions was confirmed. Overall, arming a conventional antibiotic with an antimicrobial, cell-penetrating peptide appears to be a powerful strategy in providing novel antibiotic conjugates with the propensity to overcome the limitations in treating challenging pathogens.</p>