L'objectif de ce travail est l'obtention de mimes efficaces d'hémoprotéines telles le cytochrome P450, la myoglobine ou la cytochrome c oxydase, grâce à des variations synthétiques autour d'une porphyrine à anse phénanthroline (Porphen). Un nouveau modèle de cytochrome c oxydase a plus particulièrement été analysé ici. Il est préparé par substitution des deux positions meso d'une Zn-Porphen. Des phénomènes dynamiques ont été observés et étudiés par RMN 1H, mettant en évidence la présence d'atropoisomères et la coordination-décoordination de la pyridine proximale sur le zinc. Le remplacement du zinc par du fer a ensuite permis l'étude de la coordination d'un sixième ligand exogène dans un site distal dynamique. L'évolution de la géométrie du complexe a été suivie par spectrophotométrie UV-Visible et RPE. En présence de ligands azotés de type midazoles, il se forme dans tous les cas des complexes [1 récepteur/ 1 substrat]. La forte affinité de notre modèle pour le dioxygène a été montrée à la fois par spectrophotométrie UV-Visible, RMN 1H et par résonance Raman. Que ce soit en UV-Visible ou en RMN, la réversibilité du dioxygène a été montré par son remplacement par du CO. La souplesse de cette nouvelle architecture a été mise en évidence, par l'observation d'une relative flexibilité lors des études par spectroscopie IR de la fixation de CO dans le site distal. Cette adaptabilité est également à l'origine d'un comportement assez surprenant en électrochimie, où la réduction du fer(III) et l'oxydation du cuivre(I) en présence de O2 sont facilitées. En électrocatalyse, la réduction de O2 par ce nouveau modèle de cytochrome c oxydase n'est pas facilitée en terme de potentiel, mais efficace quant à la contribution d'un mécanisme à 4 électrons.

Notre équipe a développé un protocole d’ingénierie de l’organe dentaire basé sur la biomimétique et l’utilisation de cellules dentaires embryonnaires dissociées. La recherche de ressources cellulaires permettant d’éviter le recours aux cellules embryonnaire reste un défi majeur, et nécessite une meilleure connaissance des paramètres limitants. Nous avons testé les potentialités odontogènes de lignées cellulaires, dentaires ou non, embryonnaires ou adultes. Le développement dentaire étant contrôlé par des interactions réciproques entre ectomésenchyme dérivé des crêtes neurales et épithélium, ces cellules ont été réassociés à un épithélium dentaire compétent. Nous avons recherché la formation de dents in vitro et/ou après implantation chez la souris adulte et étudié un certain nombre de paramètres biologiques et techniques. Ainsi, nous avons étudié l’impact de l’âge, de la mise en culture, et de l’hétérogénéité cellulaire sur les potentialités odontogènes des cellules mésenchymateuses. Nos résultats montrent que le potentiel odontogène des différentes lignées mésenchymateuses testées pouvait être lié à l’âge des cellules et qu’il est perdu lorsque les cellules mésenchymateuses sont cultivées avant d’être ré-associées. Ceci pouvant s’expliquer par un changement phénotypique, nous avons testé un certain nombre de gènes essentiels au développement dentaire, et suivi l’expression de marqueurs de surface. Les changements observés peuvent être liés à une sélection cellulaire in vitro pouvant conduire à des modifications de l’hétérogénéité des cellules en monocouche. / Our laboratory has developed a protocol for tooth organ engineering, based on biomimetic and the use of dissociated embryonic dental cells. Searching for mesenchymal cell sources avoiding the use of embryonic cells still remains a major challenge. We tested the odontogenic potential of several cell lines, dental or not, embryonic or adult. These cells were re-associated with a competent intact dental epithelium. We searched for tooth formation in vitro and/or after implantation in adult mice and studied different biological and technical parameters. For this purpose we analyzed the effects of the age, of a pre-culture step, and of the cellular heterogeneity on the odontogenetic potential of mesenchymal cells. To test the heterogeneity, we compared the patterns of expression of cell surface markers in cultured and implanted re-association with those observed during tooth development..Our results show that the absence of odontogenetic potential in the different cell lines that were tested, in part depends on the age of cells and that it is lost when mesenchymal cells are cultured in monolayer before their re-association. This could be explained by phenotypical changes as shown by testing several genes involved in tooth development, and tracing cell surface markers expression. Changes were observed, wich could be related to a cell selection in vitro, leading to variations in cellular heterogeneity. Indeed, pulpal cellular heterogeneity shows specific patterns of expression, that are space-time defined during tooth development, and is controlled by epithelial-mesenchymal interactions.

Les décollements autour d’un corps en mouvement sont à l’origine de détériorations des performances aérodynamiques, de fatigues structurelles ou de nuisances sonores. La compréhension de ces phénomènes reste encore aujourd’hui l’un des enjeux majeurs de la recherche en aérodynamique. Le développement de systèmes permettant de contrôler l’écoulement et d’altérer ou de réduire les décollements apparaît comme une solution prometteuse en vue d’améliorer les performances aérodynamiques. On distingue les systèmes de contrôles passifs, simples d’utilisation mais incapables de s’adapter aux modifications de l’écoulement, des systèmes actifs qui disposent d’une grande adaptabilité mais nécessitent un apport extérieur d’énergie pour fonctionner. La stratégie du contrôle auto-adaptif s’apparente à un compromis entre ces deux méthodes. En s’inspirant de mécanismes présents dans la nature, elle permet d’associer amélioration des performances aérodynamiques, adaptabilité et autonomie. Ce travail de thèse porte sur l’étude expérimentale du contrôle du sillage turbulent d’un corps épais à l’aide d’actionneurs bio-inspirés avec un double objectif : i. déterminer les paramètres optimaux du dispositif de contrôle qui prend la forme d’un couple de volets flexibles, ii. Identifier les mécanismes physiques d’interactions entre l’actionnement et l’écoulement. Pour mener à bien cet objectif, de nombreux instruments de mesure complémentaires ont été mis en oeuvre. Une étude paramétrique a permis de démontrer l’efficacité du dispositif pour différentes configurations (fixes et auto-adaptatives) et d’identifier des configurations d’intérêt. La caractérisation de l’écoulement autour et dans le sillage du cylindre carré sans et avec contrôle a révélé un allongement de la longueur de recirculation à l’arrière du cylindre et la réduction de l’expansion du sillage. L’un des résultats majeurs de l’étude est que la réduction de traînée obtenue est principalement liée à une action du système sur l’anisotropie des fluctuations de l’écoulement et plus particulièrement sur l’entrainement du fluide dans le sillage de l’obstacle. / Flow separations around moving bodies lead to detrimental effects such as aerodynamic performances loss, structural fatigue and noises production. The understanding of these phenomena remains one of the most challenging issue of modern fluid dynamics. A promising solution to improve aerodynamic performances relies on the development of flow control devices able to prevent or mitigate the effects of separation. One can distinguish the passive flow control strategy, with easy to use devices but unable to adapt to the flow changes, from the active flow control strategy which benefits from a great adaptability but requires external power supply. Self-adaptive flow control appears to be a good compromise between those two strategies. Inspired from mechanisms at play in Nature, it combines good aerodynamic performances, self-adaptability and self-sustainability. This PhD thesis is dedicated to the experimental investigation of the turbulent flow over a bluff-body controlled by means of bio-inspired devices. The objective is two-folds : i. Design the control device which consists of a couple of compliant flaps, ii. Identify the physical mechanisms governing the interactions between the flow and the devices. A great number of complementary measurement techniques have been used in order to achieve these objectives. The efficiency of the devices for different configurations – locked and self-adaptive flaps - has been demonstrated through a parametric study. It has led to the identification of the main parameters involved in the control mechanism. The flow characterization around and in the wake of both uncontrolled and controlled cylinder revealed an increase in the length of the recirculation region and the reduction of the wake width. One of the major findings of this study is that the control essentially modifies the turbulent velocity field leading to a reduction of the lateral flow entrainment in the wake of the obstacle.

L’objectif de ce travail est l’obtention de mimes efficaces d’hémoprotéines telles le cytochrome P450, la myoglobine ou la cytochrome c oxydase, grâce à des variations synthétiques autour d’une porphyrine à anse phénanthroline (Porphen). Un nouveau modèle de cytochrome c oxydase a plus particulièrement été analysé ici. Il est préparé par substitution des deux positions meso d’une Zn-Porphen. Des phénomènes dynamiques ont été observés et étudiés par RMN 1H, mettant en évidence la présence d’atropoisomères et la coordination-décoordination de la pyridine proximale sur le zinc. Le remplacement du zinc par du fer a ensuite permis l’étude de la coordination d’un sixième ligand exogène dans un site distal dynamique. L’évolution de la géométrie du complexe a été suivie par spectrophotométrie UV-Visible et RPE. En présence de ligands azotés de type midazoles, il se forme dans tous les cas des complexes [1 récepteur/ 1 substrat]. La forte affinité de notre modèle pour le dioxygène a été montrée à la fois par spectrophotométrie UV-Visible, RMN 1H et par résonance Raman. Que ce soit en UV-Visible ou en RMN, la réversibilité du dioxygène a été montré par son remplacement par du CO. La souplesse de cette nouvelle architecture a été mise en évidence, par l’observation d’une relative flexibilité lors des études par spectroscopie IR de la fixation de CO dans le site distal. Cette adaptabilité est également à l’origine d’un comportement assez surprenant en électrochimie, où la réduction du fer(III) et l’oxydation du cuivre(I) en présence de O2 sont facilitées. En électrocatalyse, la réduction de O2 par ce nouveau modèle de cytochrome c oxydase n’est pas facilitée en terme de potentiel, mais efficace quant à la contribution d’un mécanisme à 4 électrons. / The purpose of this work was to prepare efficient models of cytochrome P450, hemoglobin and cytochrome c oxidase, by various synthetic modifications on a phenanthroline-strapped porphyrin (Porphen). In particular, a new model of cytochrome c oxidase was analyzed here. This compound was obtained by substitution of both meso positions of a Zn-Porphen. Dynamics phenoma were observed and analyzed by 1H NMR, showing the presence of atropoisomers and coordination-decoordination of the proximal pyridine on zinc. Zinc was then replaced by iron, which allows the coordination of a sixth exogenous ligand in the dynamic distal site. The evolution of the complexes’ geometry was monitored by UV-Visible spectrophotometry and EPR. In the presence of imidazolesligands, complexes [1 receptor/ 1 substrate] were observed in all cases. Our model’s high affinity for dioxygen was shown by UV-Visible and 1H NMR spectroscopy and Raman resonance. In UV-Visible and NMR studies, the reversibility of dioxygen binding was demonstrated by replacement with CO.The versatility of this new architecture was demonstrated during IR studies by the relative flexibility of the CO binding in the distal site. This versatility also led to surprisingly behavior in electrochemistry, where the reduction of iron(III) and the oxidation of copper(I) were easier in the presence of O2. In electrocatalysis, the reduction of O2 by this new cytochrome c oxidase model was not easier in terms of potentiel, but was efficient in a 4-electrons mechanism.

L'adhésion contrôlée et la migration orientée des cellules est fondamentale pour plusieurs processus physiologiques et pathologiques. Une famille de polysaccharides linéaires, connus sous le nom de glycosaminoglycanes (GAG) est impliquée dans l'organisation et la présentation des protéines de signalisation, les chimiokines, à la surface des cellules et dans la matrice extracellulaire (ECM). Les travaux concernent le développement de surfaces biomimétiques bien définies aux niveaux moléculaires et supramoléculaires pour l‘étude des mécanismes d'intéractions protéines-GAG et l'analyse de la réponse cellulaire à des signaux biochimiques et biophysiques spécifiques. L'objectif de cette étude est de mieux comprendre les communications cellule-cellule et cellule-matrice induites par les GAGs.En utilisant la ligation oxime, les GAGs peuvent être fonctionnalisés de manière stable par la biotine à leur extrémité réductrice, ce mode de couplage s'est avéré déterminant pour préparer des surfaces fonctionnalisées par les GAGs de manière stable. Une monocouche de streptavidine est utilisée comme plateforme modulable pour assembler séquentiellement les molécules biotinylées, avec une orientation et des densités de surface contrôlées. Des GAGs (les héparane sulfate (HS), en particulier), des chimiokines et d'autres composants de l'ECM (par exemple un ligand d'adhésion cellulaire, RGD) ont été assemblés reconstituant certains aspects des surfaces in vivo (cellules ou de l'ECM). La microbalance à quartz (QCM-D) et l'ellipsométrie spectroscopique nous ont permis de caractériser et de contrôler la présentation supramoléculaire du HS et du RGD. Ces surfaces modèles ont été utilisées pour étudier les interactions supramoléculaires entre le HS et la chimiokine SDF-1α/CXCL12α facteur d'origine stromale et pour analyser les réponses cellulaires aux signaux extracellulaires. Nos données apportent la preuve que la chimiokine, CXCL12α rigidifie les assemblages de HS, et que cet effet est dû à la réticulation des chaînes de HS induite par la protéine. La cinétique des interactions HS-chimiokine a été quantifiée en utilisant la résonance plasmonique de surface (SPR). Nous avons également démontré que le mode de présentation de la chimiokine sur la surface, en particulier la présence des HS, influence le comportement des myoblastes. Nos données montrent que les récepteurs cellulaires CXCR4 (récepteur de la CXCL12α) et l'intégrine (récepteur du RGD) peuvent agir en synergie pour contrôler l'adhésion et la migration cellulaire. Ces surfaces modèles fournissent des indications précieuses qui pourront être appliquées au domaine de la glycobiologie, par exemple, pour étudier le rôle des GAGs dans la migration cellulaire induite par les chimiokines. / The oriented migration and controlled adhesion of cells is fundamental to many physiological and pathological processes. A family of linear polysaccharides, known as glycosaminoglycans (GAGs), help organizing and presenting signaling proteins, so-called chemokines, on the cell surface and in the extracellular matrix thus regulating cellular behavior. The objective of this PhD thesis was to develop biomimetic surfaces that are highly defined and tunable, for mechanistic studies of GAG-protein interactions on the molecular and supramolecular levels, and to probe cellular responses to defined biochemical and biophysical cues to better understand GAG-mediated cell-cell and cell-matrix communications.Applying oxime ligation, GAGs could be stably functionalized with biotin at the reducing end, and these features proved crucial for the reliable preparation of GAG-functionalized surfaces. A streptavidin monolayer served as a ‘molecular breadboard' to sequentially assemble biotinylated molecules with controlled orientation and surface densities. GAGs (heparan sulfate (HS) in particular), chemokines and other ECM components (e.g. integrin ligands promoting cell adhesion, RGD) were assembled into multifunctional surfaces that recapitulate selected aspects of the in vivo situation. Quartz crystal microbalance (QCM-D) and spectroscopic ellipsometry permitted us to characterize and control the supramolecular presentation of HS and RGD. These model surfaces were used to study the supramolecular interactions between HS and the selected chemokine stromal derived factor SDF-1α/CXCL12α and to analyze cellular responses to extracellular cues. Our data provide evidence that CXCL12α binding rigidifies HS assemblies, and that this effect is due to protein-mediated cross-linking of HS chains. The kinetics of chemokine binding to HS was quantified using surface plasmon resonance (SPR). We also demonstrate that the way in which the chemokine is presented, and in particular the presence of HS, is important for regulating myoblast behavior. Our data shows that the cell surface receptors CXCR4 (the CXCL12α receptor) and integrins (the RGD receptor) can act synergistically in controlling cellular adhesion and migration. These surfaces can generate novel insights in the field of glycobiology, e.g. in dissecting the function of GAGs in chemokine-mediated cellular migration.

La division cellulaire est un élément clé du développement. Pendant ce processus, le matériel génétique (chromosomes) est distribué entre les deux cellules filles. Cette distribution est effectuée par le fuseau mitotique ou méiotique ; une mauvaise formation de cette structure peut être critique. Le cytosquelette joue un rôle prédominant dans la division cellulaire. Malgré des progrès importants dans la compréhension de son rôle dans le processus de division cellulaire, de nombreuses questions restent encore sans réponse et des progrès techniques pour étudier ces phénomènes sont nécessaires. Dans cette thèse, nous avons étudié le rôle de l’auto-organisation de l’actine cytoplasmique dans deux systèmes modèles : les extraits cellulaires de Xénope et les ovocytes de souris. En utilisant une approche interdisciplinaire, nous avons développé de nouveaux outils expérimentaux et analytiques pour étudier le rôle de l’actine cytoplasmique pendant la division cellulaire. En encapsulant les extraits cellulaires de Xénope dans des gouttes, nous pouvons mimer le volume cellulaire. Nous utilisons ce système pour étudier les interactions entre l’actine et les microtubules. Dans un premier projet, nous avons montré que l’auto-organisation de l’actine peut déclencher des cascades de signalisation. Grâce à l’ingénierie de deux propriétés de l’actine, nous avons démontré que l’auto-organisation de ce polymère peut permettre l’assemblage de microtubules. Dans un deuxième projet, nous avons montré que la dynamique de l’actine cytoplasmique peut induire des contraintes sur l’organisation et la dynamique des microtubules. Nos résultats suggèrent que les propriétés dynamiques du réseau d’actine sont un facteur important pour l’assemblage des microtubules. Dans l’ovocyte de souris, nous avons développé une méthode pour suivre de manière automatique le mouvement d’objets passifs avec des tailles variables. Nous avons utilisé ce système pour étudier l’effet de l’actine cytoplasmique sur le transport à longue portée. Nous avons ainsi validé l’existence d’un mécanisme de centrage non spécifique de gros objets pendant la prophase. Nous avons aussi démontré que ce mécanisme de centrage reste présent pendant le reste de la méiose, en même temps que la migration du fuseau vers le cortex de l’ovocyte. / Cell division is a key element of the development of an embryo throughout all his life. During cell division, the genetic material (chromosomes) is distributed between the two daughter cells. This distribution is achieved by the spindle and a misbehavior in the formation of this structure can be critical. The cytoskeleton polymers are playing a predominant role in cell division. Despite important progresses in the understanding of their role in cell division process, numerous questions still have to be answered and technical progresses to study these phenomena are still needed. In this PhD work, we studied the role of cytoplasmic F-actin self-organization in two model systems: Xenopus egg extracts and mouse oocytes. Using an interdisciplinary approach, we developed new experimental and analytical tools to study the role of cytoplasmic F-actin during cell division. By encapsulating Xenopus actin-intact egg extracts in droplets, we are able to mimic cellular environment. We use this system to study interactions between F-actin and microtubules. In a first project, we showed that F-actin self-organization can trigger signaling pathways. By engineering two properties of the microfilament self-organization and using Ran dependent microtubule nucleation, we found that F-actin dynamics promotes the robust assembly of microtubules. In a second project, we showed that the dynamics of cytoplasmic F-actin can induce constraints on the microtubule organization and dynamics in aster and spindle structures. Our results suggest that the dynamic properties of cytoplasmic F-actin meshwork are of a primary importance for the proper assembly of microtubule structures.In the mouse oocyte, we set-up a method to automatically track the movement of passive objects with tunable size. We used this system to examine the effect of cytoplasmic F-actin on long-range transport. We thus validated the existence of a non-specific mechanism for large objects centering during Prophase. We also demonstrated that this centering mechanism is still present during the rest of meiosis, coexisting with the spindle migration toward the cortex.

Les antibiotiques aminoglycosidiques sont des agents bactéricides de grande valeur et d’efficacité à large spectre contre les pathogènes Gram-positifs et Gram-négatifs, dont plusieurs membres naturels et semisynthétiques sont importants dans l’histoire clinique depuis 1950. Des travaux crystallographiques sur le ribosome, récompensés par le prix Nobel, ont démontré comment leurs diverses structures polyaminées sont adaptées pour cibler une hélice d’ARN dans le centre de codage de la sous-unité 30S du ribosome bactérien. Leur interférence avec l’affinité et la cinétique des étapes de sélection et vérification des tARN induit la synthèse de protéines à basse fidélité, et l’inhibition de la translocation, établissant un cercle vicieux d’accumulation d’antibiotique et de stress sur la membrane. En réponse à ces pressions, les pathogènes bactériens ont évolué et disséminé une panoplie de mécanismes de résistance enzymatiques et d’expulsion : tels que les N acétyltransférases, les O phosphotransférases et les O nucleotidyltransférases qui ciblent les groupements hydroxyle et amino sur le coeur des aminoglycosides; des méthyl-transférases, qui ciblent le site de liaison ribosomale; et des pompes d’expulsion actives pour l’élimination sélective des aminoglycosides, qui sont utilisés par les souches Gram-négatives. Les pathogènes les plus problématiques, qui présentent aujourd’hui une forte résilience envers la majorité des classes d’antibiotiques sur le bord de la pan-résistance ont été nommés des bactéries ESKAPE, une mnémonique pour Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa et Enterobacteriaceae. La distribution globale des souches avec des mécanismes de résistance envers les standards cliniques aminoglycosides, tels que la tobramycine, l’amikacine et la gentamicine, est comprise entre 20 et 60% des isolées cliniques. Ainsi, les aminoglycosides du type 4,6-disubstitués-2-deoxystreptamine sont inadéquats comme thérapies anti-infectieuses à large spectre. Cependant, la famille des aminoglycosides 4,5-disubstitués, incluant la butirosine, la neomycine et la paromomycine, dont la structure plus complexe, pourrait constituter une alternative. Des collègues dans le groupe Hanessian et collaborateurs d’Achaogen Inc. ont démontré que certains analogues de la paraomomycine et neomycine, modifiés par désoxygénation sur les positions 3’ et 4’, et par substitution avec la chaîne N1-α-hydroxy-γ-aminobutyramide (HABA) provenant de la butirosine, pourrait produire des antibiotiques très prometteurs. Le Chapitre 4 de cette dissertation présente la conception et le développement d’une stratégie semi-synthétique pour produire des nouveaux aminoglycosides améliorés du type 4,5 disubstitués, inspiré par des modifications biosynthétiques de la sisomicine, qui frustrent les mécanismes de résistance bactérienne distribuées globalement. Cette voie de synthèse dépend d’une réaction d’hydrogénolyse de type Tsuji catalysée par palladium, d’abord développée sur des modèles monosaccharides puis subséquemment appliquée pour générer un ensemble d’aminoglycosides hybrides entre la neomycine et la sisomicine. Les études structure-activité des divers analogues de cette nouvelle classe ont été évaluées sur une gamme de 26 souches bactériennes exprimant des mécanismes de résistance enzymatique et d’expulsion qui englobe l’ensemble des pathogènes ESKAPE. Deux des antibiotiques hybrides ont une couverture antibacterienne excellente, et cette étude a mis en évidence des candidats prometteurs pour le développement préclinique. La thérapie avec les antibiotiques aminoglycosidiques est toujours associée à une probabilité de complications néphrotoxiques. Le potentiel de toxicité de chaque aminoglycoside peut être largement corrélé avec le nombre de groupements amino et de désoxygénations. Une hypothèse de longue date dans le domaine indique que les interactions principales sont effectuées par des sels des groupements ammonium, donc l’ajustement des paramètres de pKa pourrait provoquer une dissociation plus rapide avec leurs cibles, une clairance plus efficace et globalement des analogues moins néphrotoxiques. Le Chapitre 5 de cette dissertation présente la conception et la synthèse asymétrique de chaînes N1 HABA β substitutées par mono- et bis-fluoration. Des chaînes qui possèdent des γ-N pKa dans l’intervalle entre 10 et 7.5 ont été appliquées sur une neomycine tétra-désoxygénée pour produire des antibiotiques avancés. Malgré la réduction considérable du γ N pKa, le large spectre bactéricide n’a pas été significativement affecté pour les analogues fluorés isosteriques. De plus, des études structure-toxicité évaluées avec une analyse d’apoptose propriétaire d’Achaogen ont démontré que la nouvelle chaîne β,β difluoro-N1-HABA est moins nocive sur un modèle de cellules de rein humain HK2 et elle est prometteuse pour le développement d’antibiotiques du type neomycine avec des propriétés thérapeutiques améliorées. Le chapitre final de cette dissertation présente la proposition et validation d’une synthèse biomimétique par assemblage spontané du aminoglycoside 66-40C, un dimère C2 symétrique bis-imine macrocyclique à 16 membres. La structure proposée du macrocycle a été affinée par spectroscopie nucléaire à un système trans,trans-bis-azadiène anti-parallèle. Des calculs indiquent que l’effet anomérique de la liaison α glycosidique entre les anneaux A et B fournit la pré-organisation pour le monomère 6’ aldéhydo sisomicine et favorise le produit macrocyclique observé. L’assemblage spontané dans l’eau a été étudié par la dimérisation de trois divers analogues et par des expériences d’entre croisement qui ont démontré la généralité et la stabilité du motif macrocyclique de l'aminoglycoside 66-40C. / Aminoglycosides are valuable and effective broad-spectrum bactericidal antibiotics against Gram-positive and Gram-negative pathogens, with several members of natural and semisynthetic origin occupying prominent roles in clinical practice since 1950. Nobel-prize winning crystallographic studies on the ribosome have revealed how their diverse polyaminated sugar framework is tailored to target a RNA helix within the decoding centre of the bacterial 30S subunit. By interfering with the affinity and kinetics of the tRNA selection and proof-reading steps, they induce error-prone protein synthesis, and translocation inhibition and lead to a lethal cycle of antibiotic uptake and membrane stress. In retaliation, bacterial pathogens have evolved and disseminated a number of enzymatic and efflux resistance mechanisms. These include N acetyl-transferases, O phosphotransferases and O nucleotidyltransferases, which target the core hydroxyl and amino groups of aminoglycosides promiscuously; methyltransferases, which target the ribosomal binding-site; and energy-dependent drug efflux pumps for aminoglycoside-selective elimination, in Gram-negative pathogens. The most problematic infectious pathogens which are currently resilient to most unrelated antibiotic classes and in the verge of pan-resistance have been defined ‘ESKAPE’ bacteria, a mnemonic for Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa and Enterobacteriaceae. The world-wide spread of aminoglycoside resistance to current clinical standards, such as tobramycin, amikacin and gentamicin, ranges from 20 to 60% of clinical isolates. Hence, the contemporary 4,6-disubstituted-2-deoxystreptamine aminoglycosides are currently inadequate as broad-spectrum anti-infective therapies. The 4,5-disubstituted class of aminoglycosides are a challenging framework for medicinal chemistry, which includes butirosin, neomycin and paromomycin. Exploring the potential of these alternatives, colleagues in the Hanessian group and collaborators of Achaogen Inc. have demonstrated that paromomycin and neomycin analogs modified by deoxygenation of positions 3' and 4', as well as N1-substituted analogs possesing the α hydroxy-γ-aminobutyryl amide (HABA) chain of butirosin, could produce promising antibiotics. Chapter 4 of this dissertation features the conception and development of an expedient semi-synthetic strategy to access novel aminoglycosides of the 4,5 disubstituted class, inspired from biosynthetic modifications of the sisomicin subfamily, that surmount the wide-spread bacterial resistance mechanisms. This synthetic methodology relies on a novel Tsuji palladium-catalyzed hydrogenolysis developed on model monosaccharides, which was applied to generate a library of aminoglycosides comprising ring A hybrids of the neomycin and sisomicin families. The structure-activity relationships of this new class were assessed against a panel of 26 bacterial strains expressing modifying enzymes and efflux systems to provide an overview of ESKAPE pathogens. Two novel hybrid aminoglycoside analogs exhibited excellent antibacterial coverage, and may be promising candidates for preclinical development. Aminoglycoside therapy is also invariably associated with a probability of nephrotoxic complications. Aminoglycoside toxicity has been largely correlated with the number of amino groups, and more loosely with the extent of deoxygenation. A long standing hypothesis in the field states that because the foremost interactions are effected by ammonium group salts, the tuning of pKa parameters could provide a higher target dissociation rate, more effective clearance and overall less nephrotoxic analogs. Chapter 5 in this dissertation features the conception and asymmetric synthesis of isosteric β substituted N1 HABA chains, modified by mono- and bis-fluorination. These chains covering a range of γ-N pKa values from 10 to 7.5 were applied to advanced tetra-deoxygenated neomycin antibiotics. In spite of the important reduction in γ N pKa, broad spectrum antimicrobial activity was not significantly disrupted for isosteric fluorinated analogs. Furthermore, structure-toxicity relationships, assessed by Achaogen’s proprietary luciferase-coupled apoptosis assay, revealed that the novel β,β difluoro-N1-HABA chain is less harmful in a Human Kidney 2 cell-line model and promising for the development as new generation neomycin antibiotics with improved therapeutic properties. The final chapter in this dissertation features the proposal and validation of the concise biomimetic synthesis and self-assembly of aminoglycoside 66-40C, a remarkable C2-symmetric 16 membered macrocyclic bis-imine dimer. The proposed structure was spectroscopically characterized as an anti-parallel s-trans-bis-azadiene macrocyclic system. Calculations indicate the anomeric effect of the α glycosidic bond between rings A and B is important for pre-organization of the monomeric sisomicin 6' aldehyde and favors the observed macrocycle product. Self-assembly in aqueous solutions was studied through the dimerization of three diverse analogs and cross-over experiments, which demonstrated the generality and stability of the macrocyclic motif of aminoglycoside 66-40C.

Les travaux présentés concernent dans une première partie la synthèse biomimétique d’un alcaloïde indolomonoterpénique : la bipléiophylline. La bipléiophylline est le résultat de l’assemblage complexe de deux unités indoliques identiques ancrées sur une plateforme aromatique. Une stratégie générale de synthèse biomimétique de la bipléiophylline consistant i) à la synthèse de l’unité indolique pléiocarpamine et ii) à l’oxydation de l’acide 2,3-dihydroxybenzoïque a été envisagée. L’accès au squelette complexe de la pléiocarpamine a été étudié selon plusieurs stratégies de synthèse totale mais également par hémisynthèse. Parallèlement une étude des conditions d’oxydation notamment par électrochimie de l’acide 2,3-dihydroxybenzoïque ont permis de déterminer et caractériser son potentiel d’oxydation et de mettre au point les conditions de formation de sa forme oxydée. La seconde partie est consacrée à la synthèse biomimétique d’un modèle du cœur central de l’haliclonine A, un alcaloïde de la famille des manzamines. La synthèse de plusieurs précurseurs a été réalisée ainsi que l’étude de l’étape clé de double addition nucléophile sur un 5,6-dihydropyridinium. / Our work deals in the first part with a biomimetic synthesis of bipleiophyllin, an indolomonoterpenic alkaloid. The bipleiophyllin is the result of a complex anchorage of two identical indolic subunits on an aromatic platform. A general strategy for the biomimetic synthesis of bipleiophyllin consisting of i) the synthesis of the indolic unit pleiocarpamin and ii) the oxidation of 2,3-dihydroxybenzoic acid; was considered. Access to the complex skeleton of pleiocarpamin has been studied by different total synthesis strategies but also by hemisynthesis. Meanwhile this work, a study of the oxidation conditions of 2,3-dihydroxybenzoic acid including by electrochemistry, helped identify and characterize its oxidation potential and develop the required conditions to obtain its oxidized form. The second part is devoted to the biomimetic synthesis of a model compound, mimic of the central core of haliclonin A, an alkaloid of the family of manzamins. The synthesis of several precursors and the study of the key step consisting in a double nucleophilic addition to a 5,6-dihydropyridinium were done.

L’élaboration de récepteurs artificiels pouvant reconnaître soit des ions métalliques soit des molécules chargées ou neutres avec une haute affinité et une grande sélectivité est l’un des objectifs majeurs de la chimie supramoléculaire. En effet, de tels récepteurs ont de potentielles applications dans de nombreux domaines comme en imagerie médicale ou en analyse environnementale. Afin de pouvoir obtenir des récepteurs sophistiqués, il faut cependant généralement passer par une étape d’ingénierie de la molécule dont la conception concrète nécessite une fonctionnalisation ad hoc. Cela requiert souvent la mise au point de méthodes originales de synthèse accompagnée d’un travail méthodologique important. Par ailleurs, alors que l’eau, de par ses propriétés physico-chimiques, joue un rôle tout à fait particulier dans la reconnaissance moléculaire (effet hydrophobe) et dans les réactions enzymatiques (transfert d’électrons et de protons), la majorité des études décrites dans la littérature ont été faites en solvant organique. Si quelques récepteurs, principalement basés sur des molécules intrinsèquement hydrosolubles (telles que la cyclodextrine ou le cucurbiturile) ont permis d’enrichir la chimie supramoléculaire dans l’eau, l’étude comparée de récepteurs en milieux organique et aqueux, qui apporterait de nombreuses informations est, elle, en revanche peu explorée par la communauté supramoléculaire. Ce travail de thèse s’insère dans ces deux cadres et cherche à répondre en partie à ces problématiques. Il est axé sur : (i) le développement d’une méthodologie unique pour la fonctionnalisation sélective de calix[6]arènes; et (ii) la synthèse et l’étude de nouveaux récepteurs hydrosolubles dérivés du calix[6]tren. La première partie de ce travail décrit le développement d’une stratégie supramoléculaire, qui consiste en l’utilisation des propriétés réceptrices du macrocycle calix[6]arène comme un outil pour sa monofonctionnalisation sélective. Le champ d’application d’une telle approche est notamment étudié à partir de différents récepteurs calix[6]arèniques dont la reconnaissance est basée sur divers types d’interactions (interactions ioniques ou chimie de coordination). Ces travaux s’insèrent dans un cadre plus général de fonctionnalisation sélective de macrocycles via assistance supramoléculaire, qui fait l’objet du chapitre introductif de cette partie. Les propriétés émergentes de ces nouveaux ligands monofonctionnalisés sont également présentées dans ce document. La deuxième partie du travail concerne l’hydrosolubilisation de ligands calixaréniques et l’étude de leurs propriétés de reconnaissance ainsi que celles de leurs complexes (Zn(II), Cu(II)) correspondants dans l’eau. L’étude est pour cela dirigée vers l’hydrosolubilisation d’un récepteur qui s’est révélé particulièrement prometteur en solvant organique, mais qui n’était pas soluble en milieu aqueux : le calix[6]tren. / The elaboration of artificial receptors that can bind either metal ions or charged/neutral species with a high affinity and a high selectivity is one of the major goals of supramolecular chemistry. Indeed, such receptors have potential applications in many fields such as in medical imaging or in environmental analysis. In order to obtain sophisticated receptors however, one has generally to go through a step of molecular engineering. This often requires the development of original synthetic methods, accompanied by an important methodologic work. Furthermore, although water, by its special physico-chemical properties, plays a particular role in molecular recognition (hydrophobic effect) and in enzymatic reactions (transfer of electrons and protons), the majority of the studies reported in the literature have been conducted in organic solvent. If a few receptors, mainly based on intrinsically water-soluble molecules (such as cyclodextrin and cucurbituril) have permitted to enrich the field of supramolecular chemistry in water, the comparative study of given receptors in both organic and aqueous environment, which could be very informative, has been less explored by the supramolecular community. The present work fits into these two frameworks and seeks to answer, in part, to these problematics. The work is centered around: (i) the development of an unique methodology for the selective functionalization of calix[6]arenes; and (ii) the synthesis and study of new water-soluble derivatives of calix[6]tren. The first part of this work describe the development of a supramolecular strategy that relies on the use of the host-guest properties of the calix[6]arene macrocycle as a tool for its selective monofunctionalization. The scope of such approach is studied using several different calix[6]arene-based receptors which recognition process is based on different type of interactions (ionic interaction or coordination chemistry). The emerging properties of these newly monofunctionalized ligands are also presented in this document. The second part of this work deals with the water-solubilization of calix[6]arene ligands and the study of their coordination properties towards Zn(II) and Cu(II). The work is for this directed towards the water-solubilization of a receptor which revealed to be particularly promising in organic solvent, but that was not soluble in water: the calix[6]tren.

Cette thèse vise principalement à décorer des phtalocyanines avec des groupes de reconnaissance supramoléculaires pour induire leur auto-assemblage pour la première fois avec ces chromophores robustes imitant les bactériochlorophylles chlorosomales naturelles. D’autre part, cette thèse est également dédiée à la méthodologie de synthèse des complexes à trois étages avec des lanthanides complexant des porphyrines et phtalocyanines encombrantes.La première partie présente quelques concepts de base et des exemples segéstifs dans la biomimétique et l’auto-assemblage moléculaire. Les auto-assemblages biomimétiques des bactériochlorophylle c, d, e ont été examinés suivie par la synthèse, la séparation des régioisomères des phtalocyanines et des cellules solaires construites avec des phtalocyanines. La deuxième partie présente des travaux originaux sur une série d'antennes pour la coolléction de la lumière, comme les acylphthalocyanines qui font d'auto-assemblage avec des groupes carbonyle comme motifs de reconnaissance, un atome de zinc central et diverses chaînes alkyle de solubilisation. Ces nouveaux composés pourraient s’auto-assembler de la même manière que les bactériochlorophylles naturelles. La troisième partie de cette thèse se concentre sur les propriétés électrochimiques et magnétiques de lanthanides-porphyrine-phtalocyanine complexes sandwich ‘’triple deckers’’ volumineux, synthétisés par une nouvelle méthode sous irradiation avec des micro-ondes. Le site initial de l'oxydation ou de réduction de ce type de molécules à trois étages a d'abord été attribué par la combinaison de la spectroélectrochimie de couche mince. / This thesis mainly aims to decorate phthalocyanines with supramolecular recognition groups for inducing their self-assembly for the first time with these robust chromophores mimicking the natural chlorosomal bacteriochlorophylls. Meanwhile, this thesis is also dedicated to the synthetic methodology of bulky lanthanide porphyrin phthalocyanine triple-decker complexes. The first part provides some basic concepts and some delicate examples in biomimetics and molecular self-assembly, then biomimetic bacteriochlorophyll c, d, e self-assembles were simply reviewed, followed by the introduction on the synthesis, regioisomer separation of phthalocyanines and phthalocyanine-sensitized solar cells. The second part presents a series of light-harvesting antennas, namely self-assembling acyphthalocyanines, with carbonyl groups as recognition motifs, a central zinc atom and various solubilizing alkyl chains, which could self-assemble in the same way as the natural bacteriochlorophylls. These assemblies were characterized by UV-Vis, Variable-temperature UV-Vis and 1H-NMR spectra. The third part of this thesis focuses on the electrochemical and magnetic properties of bulky lanthanide porphyrin phthalocyanine triple-decker complexes synthesized by microwave-mediated, therein, the initial site of oxidation/reduction on this type of triple-decker molecules was firstly assigned by combining the thin-layer spectroelectrochemistry and the assignments of the electronic absorption spectra. Furthermore, the different single-molecule magnet behaviors of the corresponding Tb and Dy triple-decker complexes were also studied.