Les métaux biologiques jouent un rôle clé en tant que cofacteurs, contribuant à la structuration des macromolécules et catalysant les réactions biochimiques dans les cellules. Ils sont nécessaires pour une croissance bactérienne optimale mais deviennent toxiques lorsqu'ils sont présents en excès. Par conséquent, l'homéostasie de ces métaux doit être finement régulée, et tout déséquilibre dans leur concentration pourrait affecter la viabilité cellulaire. Lors de cette thèse nous avons investigué les mécanismes moléculaires impliqués dans l'homéostasie du Fe chez Pseudomonas aeruginosa, en étudiant les deux principaux sidérophores produits par cette bactérie, pyoverdine (PVD) et pyochéline (PCH). Avec notre approche, nous avons identifié des nouveaux mécanismes de régulation des voies d’acquisition du fer par PVD et PCH. Nous avons également étudié comment d'autres métaux biologiques peuvent interférer avec ces voies, et le Co a montré une forte propension à pirater et à polluer la voie PCH. / Biological metals (Fe, Zn, Co, Ni, Mn, Cu) play a key role by acting as co-factors, contributing to macromolecule structuration, and catalyzing biochemical reactions into the cells. They are required for optimal bacterial growth but also become toxic when present in excess. Consequently, the homeostasis of these metals has to be finely regulated, and any disequilibrium in their concentration into bacteria could affect cell viability. We have further investigated the molecular mechanisms implicated in Fe homeostasis in Pseudomonas aeruginosa involving the two major siderophores produced by this bacterium, pyoverdine (PVD) and pyochelin (PCH). With our approach we identified new regulation mechanisms of both PVD and PCH pathways. In parallel, we have also investigated how other biological metals than Fe can interfere with these iron uptake pathways. Our data showed a strong propensity of Co to pirate and pollute the PCH iron uptake pathway.

Pseudomonas aeruginosa est une bactérie à Gram-négatif, pathogène et opportuniste, responsable de nombreuses et sévères infections chez l’homme. Ce microorganisme comme la plupart des organismes vivants a besoin de fer pour sa croissance ainsi que d’autres métaux biologiques comme le zinc, le cuivre, le nickel, le manganèse, le cobalt, le molybdène, le vanadium et d’autres. Afin d’acquérir le fer P. aeruginosa produit deux sidérophores majeurs, la pyoverdine (PVD), souvent considérée comme sidérophore principal, et la pyochéline (PCH). Lors de cette thèse nous avons pu démontrer les enzymes de biosynthèse de ces sidérophores adoptent une organisation spécifique aux pôles des bactéries. De plus, l’étude de la composition en métaux de P. aeruginosa dans différentes conditions de cultures a pu démontrer que la bactérie adapte sa concentration intracellulaire en métaux selon la composition du milieu extracellulaire. / Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic Gram-negative pathogen. It is responsible for a wide range of human diseases. Iron is an essential element for this organism, like for nearly all other organisms. To a lower extent this organisms needs other metals such as zinc, copper,nickel, manganese and other for its survival. To acquire iron, P. aeruginosa secrets two major siderophores, pyoverdine (PVD) and pyochelin (PCH). During the thesis we have shown that the enzymes involved in the biosynthesis of theses siderophores adopt a specific localization at the bacterial cell poles. Furthermore, the study of the metal composition of P. aeruginosa in different growth conditions has shown that this bacterium is able to adaptits internal metal concentration to the extracellular metal availability.

La découverte de stratégies thérapeutiques innovantes contre les bactéries pathogènes est cruciale. Le fer est essentiel pour la prolifération bactérienne et les bactéries pathogènes excrètent des molécules organiques de faible poids moléculaire, appelées sidérophores, pour acquérir le fer(III). Les systèmes d’acquisition de fer sidérophores-dépendants sont transmembranaires et peuvent être utilisés comme des portes d’entrée pour faire pénétrer des conjugués sidérophores-antibiotiques dans la bactérie dans le cadre d’une stratégie dite du cheval de Troie. Nous avons synthétisé des conjugués constitués d’analogues des sidérophores pyochéline, aminochéline ou azotochéline couplés à des oxazolidinones antibiotiques. Dans la majorité de nos approches la liaison entre le sidérophore et l’antibiotique est le résultat d’une réaction de chimie click. La synthèse et les propriétés biologiques des vecteurs et des conjugués synthétisés sont présentées dans ce manuscrit. / Constant discovery of innovative therapeutic strategies against pathogenic bacteria is crucial. Iron is essential for bacterial proliferation since it is integrated in the active site of essential enzymes. Many pathogenic bacteria excrete low molecular weight secondary metabolites called siderophores in order to promote iron (III) acquisition. Transmembrane siderophore-dependent iron uptake systems can be used as gates by siderophore-antibiotic conjugates. In this context, we synthesized conjugates between analogs of pyochelin, aminochelin or azotochelin with oxazolidinones antibiotics. In this project many of the conjugation between vectors and antibiotics were the result of click chemistry reactions even the use of peptidic bonds was also explored. Synthesis and biological properties of conjugates and vectors are presented in this manuscript.

Le fer est un élément essentiel à la vie car il possède un rôle clé dans de nombreux processus biologiques.Malgré son abondance au niveau de la croûte terrestre, le fer est très faiblement biodisponible. Pour contourner ce problème, la majorité des micro-organismes a développé différents systèmes particulièrement efficaces pour l’acquisition de cet élément. Le mécanisme le plus répandu implique la production et la sécrétion de petites molécules chélatrices ayant une forte affinité pour le fer. Après sécrétion dans le milieu extracellulaire, ces composés chélatent le Fe3+ et le transportent ensuite au travers de la membrane externe via des transporteurs TonB-dépendants (TBDT). Durant cette thèse, nous avons mis en place un protocoleefficace permettant d’aller rapidement du clonage à la cristallisation de ces cibles afin d’étudier la structure tridimensionnelle de cette famille de protéines. Ainsi, nous avons pu résoudre et étudier la structure de plusieurs TBDT, de bactéries Gram-négatives. Ainsi nous avons mis en évidence un mouvement du domaine de signalisation en présence du ligand, proposé un mécanisme de transporteur de la molécule d’hème par le système shu chez Shigella dysenteriae. Chez les bactéries du genre Pseudomonas, nous avons élucidé et caractérisé au niveau structural les mystères de l’énantiosélectivité des pyochélines. En parallèle, nous nous sommes intéressé au devenir du ferri-sidérophore au niveau du périplasme, chez P. aeruginosa, ainsi qu’au transport du fer au travers de la membrane interne grâce à un transporteur ABC FpvCDEF ayant laparticularité de posséder deux protéines périplasmiques associées capables d’interagir avec le sidérophore. / Iron is essential for life because it has a key role in many biological processes. Despite its abundance in the earth's crust, iron is poorly bioavailable. To circumvent this problem, most micro-organisms have developed different systems particularly effective for the acquisition of this element. The most common mechanism involves the production and secretion of small chelating molecules having high affinity for iron. After secretion into the extracellular medium, these compounds chelate and transport ferric iron through the outer membrane via TonB-dependent transporters (TBDTs). In this thesis, we have developed an efficient protocol to easily go from cloning to crystallization of these targets and then studied the three-dimensional structure of this protein family. Thus, we were able to solve and study the structure of several TBDT of Gram-negative bacteria. We have identified a movement of the signaling domain in the presence of ligand. We proposed a mechanism for heme translocation through the shu system, in Shigella dysenteriae. In Pseudomonas species, we elucidated and characterized at the structural level the mysteries of the pyochelin enantioselectivity. In Pseudomonas aeruginosa, we studied the ferri-siderophore become in the periplasmic space, as well as iron transport across the inner membrane by an ABC transporter, named FpvCDEF, with the particularity of having two periplasmic proteins associated able to interact with the siderophore.

La multiplication des résistances aux antibiothérapies actuelles et l’utilisation potentielle de bactéries pathogènes dans le cadre d’attentats bioterroristes rendent nécessaire la recherche de nouvelles cibles biologiques et la découverte de nouvelles stratégies antibiotiques. Dans ce contexte, les mécanismes d’assimilation du fer chez les bactéries à Gram négatif sont des cibles particulièrement prometteuses. Le fer est en effet un élément essentiel à la vie, mais peu biodisponible. Les bactéries ont donc développé des mécanismes efficaces pour subvenir à leurs besoins en fer. Ces mécanismes de transport nécessitent un apport d’énergie fourni par une machinerie bactérienne complexe, la machinerie TonB. La protéine TonB, qui joue un rôle central dans le fonctionnement de cette machinerie, est la cible de notre approche. Nous souhaitons séquestrer cette protéine dans le périplasme grâce à des composés peptidiques fonctionnalisés par des hétérocycles de type isoindole ou 1,2,4-triazine. La conception et la synthèse de ces molécules sont présentées dans ce manuscrit, ainsi que leurs perspectives de vectorisation en utilisant une stratégie dite du "cheval de Troie". Notre contribution à la mise au point d’un test d’affinité in vitro est également abordée. / The increasing resistances to the current antibiotherapies, and the potential use of pathogenic bacteria as biological weapons led us to the absolute necessity of discovering new biological targets and new antibiotic strategies. In this context, iron uptake pathways of Gram negative bacteria are promising targets. Indeed, iron is an essential nutrient, but it has a low bioavailability. Bacteria have developed efficient iron uptake pathways in order to proliferate. Iron is transported in the bacterial cell by specific outer membrane transporters and thanks to the energy provided by a complex molecular machinery, called TonB. The TonB protein, which is the keystone of this machinery, is a key target for the development of new antibiotics. We would like to sequester this protein in the periplasm thanks to molecules constituted of a peptidic moiety and a heterocyclic moiety such as isoindole or 1,2,4-triazine. The conception and the synthesis of these compounds are presented in this document, as well as their possibilities to be vectorized using a “Trojan Horse” strategy. Our contribution to the development of an in vitro test of affinity is presented as well.