The present study exploits two different molecules as biorecognition elements for biosensing. In the first case, a protein biosensor was performed using maltose-binding protein (MBP). The ability to manipulate protein function rationally also offers the possibility of creating new proteins of biotechnological value. Our design has been used to test the understanding of allosteric transitions in proteins. Here we examined a simple conformational change that can represent the biorecognition principle for a reagentless biosensor. Previously, modular strategies for transducing ligand-binding events into fluorescent and electrochemical responses have been reported. Starting with a study of the conformational changes of MBP this research will further develop electrochemical maltose biosensors. The responses of four individual mutations (K46C-MBP-MT, N282C MBP-MT, Q72C-MBP-MT; and K25C-MBP-MT) were evaluated using square wave voltammetry. The possibility of using this type of transduction mechanism for sensor configurations and analyte specificity is discussed.The second part of this work involves SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment) and aptamers as biorecognition molecules. As a result of the SELEX method, we can obtain oligonucleotide sequences (aptamers) with recognition properties similar to antibodies. These synthetic elements play an important role in molecular recognition because of their capability for specifically binding of a target molecule. A new approach for the separation step has been performed, termed Soluble-SELEX. This new SELEX method uses hybridization as partitioning mechanism for separating the bound and unbound DNA members from the target-molecule. Hybridization procedure has been evaluated by fluorescence studies as partitioning mechanism for SELEX method. Herein, we exploited the incorporation of an aptamer for biosensing detection of a specific target molecule. Three different transduction methods such as fluorescence, electrochemistry and surface plasmon resonance (SPR) were evaluated. In all three cases, the biosensing procedure was successful.In conclusion, this research has evaluated the translation of a fluorescent biosensor into an electrochemical biosensor using maltose-binding protein as biorecognition element. On the other hand, a new SELEX method has been developed. However, future improvements are required in order to optimize the method. As result of SELEX a new avidin-aptamer was selected and three different transduction systems were employed to construct fluorescent, surface Plasmon resonance and electrochemical biosensors. / El presente estudio utiliza dos moléculas diferentes como elementos de bioreconocimiento. En el primer caso, un biosensor basado en proteínas fue desarrollado utilizando la proteína periplasmica de unión a maltosa (MBP = maltose-binding protein). La habilidad para manipular racionalmente la función de una proteína también ofrece la posibilidad de crear nuevas proteínas con valor biotecnológico. Nuestro diseño proteico ha sido usado para evaluar cambios alostéricos en proteínas. Este estudio evalúa un simple cambio conformacional el cual puede ser usado como el principio transductivo para un biosensor. Diferentes estrategias de transducción usando fluorescencia y electroquímica en eventos de reconocimiento entre la proteínas periplasmicas de unión y el ligando, han sido previamente reportadas. Esta investigación inicia con el estudio de los cambios conformacionales de MBP, continuando con el desarrollo de un biosensor electroquímico para maltosa. La señal de cuatro diferentes mutantes (K46C-MBP-MT, N282C MBP-MT, Q72C-MBP-MT; y K25C-MBP-MT) fue evaluada usando voltimetría de onda cuadrada. La posibilidad de usar este tipo de transducción mecánic (distancia) para la configuración de biosensores y la respectiva especificidad analítica es discutida. La segunda parte de este trabajo incluye el método SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment) y aptameros como moléculas de bioreconocimiento. Como resultado de el método SELEX, podemos obtener secuencias de oligonucleótidos (aptameros) con propiedades de reconocimiento similares a los anticuerpos. Estos elementos sintéticos, tienen un importante rol en el reconocimiento molecular por su capacidad de unión específica a la molécula blanco. Un nuevo mecanismo para el paso de separación ha sido realizado, y llamado SELEX-Soluble. Este nuevo método SELEX usa la hibridización como mecanismo de separación para dividir los oligonucleótidos de DNA que no se unen y los que se unen a la molécula blanco. El procedimiento de hibridización y su uso como mecanismo de separación en el método SELEX ha sido evaluado a través de estudios de fluorescencia. Este estudio también explora la incorporación de un aptamero como elemento de reconocimiento en un biosensor. Tres diferentes mecanismos de transducción has sido evaluados: fluorescencia, electroquímica y resonancia de plasmon superficial (SPR). En los tres casos una excelente señal fue reportada. En conclusión, esta investigación ha evaluado la transferencia de una biosensor de fluorescencia a un biosensor electroquímico, utilizando la proteína periplásmica de unión a maltosa como elemento de bioreconocimiento. De otro lado, un nuevo método SELEX ha sido desarrollado. Sin embargo, futuras mejoras son requeridas para optimizar el método. Como resultado del método SELEX realizado un nuevo aptamero para avidita ha sido seleccionado y tres diferentes sistemas de transducción ha sido empleado para construir tres diferentes biosensores (fluorescencia, electroquímica y SPR).

Ce travail de thèse a consisté à synthétiser de nouveaux chélateurs pour la complexation des ions métalliques d10 toxiques en milieu biologique, comme le cuivre (I), lorsqu'il est présent en excès dans les cellules, et le mercure (II), délétère à l'état de traces. En particulier, des tripodes à trois soufres, inspirés de tripodes fonctionnalisés par trois dérivés cystéine, développés antérieurement au laboratoire, ont été élaborés et leur propriétés de complexation avec le cuivre (I) ont été examinées. Comme les tripodes cystéines, les nouveaux tripodes fonctionnalisés par d'autres dérivés soufrés, en particulier des dérivés de D-Pénicillamine (D-PEN), sont capables de complexer le cuivre (I) dans des environnements CuS3 avec de fortes affinités et sélectivités par rapport au zinc (II) présent dans les milieux biologiques. Des études structurales approfondies effectuées par spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) ont permis de caractériser complètement les complexes et clusters de cuivre (I) formés, de corréler les mesures d'affinités effectuées en utilisant différentes techniques et de rationaliser les relations structure/ affinité observées. L'un des nouveaux tripodes a ensuite été fonctionnalisé pour être ciblé vers les cellules du foie, où une accumulation de cuivre est observée chez les patients atteints de la maladie de Wilson. Les premiers tests biologiques réalisés sur des cellules hépatiques ont montré que l'architecture fonctionnalisée ainsi conçue (CHEL4) est capable de complexer le cuivre (I) en excès in cellulo. Cette étude conforte les résultats obtenus antérieurement au laboratoire avec le tripode cystéine fonctionnalisé (CHEL2) et valide donc le système de vectorisation vers les hépatocytes. Les propriétés de complexation des nouveaux tripodes avec l'ion toxique mercure (II), plus gros et plus mou que l'ion cuivre (I), ont aussi été étudiées. Il a ainsi été établi que les nouveaux tripodes thiolates peuvent aussi stabiliser un environnement trigonal autour du mercure (II). Notre étude a donc montré comment des tripodes soufrés de faible poids moléculaire, judicieusement fonctionnalisés, peuvent accommoder des environnements trigonaux très stables autour des ions mous cuivre (I) et mercure (II). De tels environnements miment plus ou moins les sites trigonaux du cuivre (I) et du mercure (II) trouvés dans les protéines à cuivre (I) (Ctr1, Mac1, Ace 1, COX…), les protéines bactériennes de détoxification du mercure (II) (Mer-R), et les métallothionéines (MTs), petites protéines riches en cystéines qui complexent les ions métalliques en excès ou toxiques dans les cellules. Ces analogies avec les complexes métalliques biologiques permettent de rationnaliser les fortes affinités des nouveaux tripodes pour les ions mous cuivre (I) et mercure (II). Plus généralement, notre étude apporte des règles de design moléculaires pour concevoir des architectures efficaces dédiées à la détoxification des métaux mous en milieu biologiques. Mots clés : cuivre (I), zinc (II), mercure (II), maladie de Wilson, foie, surcharges métalliques, toxicité, chélateurs, tripodes soufrés, cystéine, D-pénicillamine (D-PEN), environnements trigonaux, protéines du cuivre (I), métallothionéines (MTs), Mer-R, Spectroscopie d'Absorption des rayons X (XAS). / This work consisted in the syntheses of new chelators for the binding of soft d10 metal ions in biological media, such as the copper (I) ion, toxic at high levels in the cells, and the mercury (II) ion, deleterious even at low concentrations. In particular, new suphur-based tripodal architectures, derived from the cysteine-based architectures previously designed at the laboratory, have been synthetized and their binding properties with the copper (I) ion have been looked into. As the cysteine-based scaffolds, the new chelators, based on new sulphur compounds, in particular D-Penicillamine (D-PEN) derivatives, complex the copper (I) ion in trigonal CuS3 environments with high affinities and high selectivities with respect to the bioavailable zinc (II) ion. In depth structural studies have been performed by X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS) to fully characterize the copper (I) complexes and the copper (I) clusters formed in solution, to correlate the affinity measurements performed using different analytical techniques and to rationalize structure/ affinity relationships. One of the new chelators has been functionalized to be targeted to the liver cells, where copper (I) overloads are observed when people suffer from the Wilson's disease. The first biological experiments carried out in hepatocytes, have shown that the functionalized chelator (CHEL4) complexes excess copper (I) in cellulo. This study supports the results previously obtained with the functionalized cysteine-based architecture (CHEL2) and thus validates the targeting system. The binding properties of the new tripodal architectures with the mercury (II) ion, bulkier and softer than the copper (I) ion, have also been studied. It has been established that the new chelators also stabilize trigonal environments around the mercury (II) ion. Thus this study has shown how low molecular weight sulphur-based tripodal architectures, judiciously functionalized, are able to adapt stable sulphur-only trigonal environments around the soft metal ions, copper (I) and mercury (II). Such environments reproduce more or less the trigonal binding sites found in copper (I) proteins (Crt1, Mac1, Ace1, COX…), bacteria proteins dedicated to mercury (II) detoxification (Mer-R) and metallothioneins (MTs), which are small cysteine-rich proteins in charge of the detoxification of toxic metal ions in cells. Those structural analogies shared with the biological metallic complexes allow us to rationalize the high affinities of the new tripodal architectures for soft metal ions. In a more extended point of view, this study brings some guidelines of molecular design to elaborate efficient chelators dedicated to the detoxification of soft metal ion in biological media. Keywords: copper (I), zinc (II), mercury (II), Wilson's disease, liver, metal overloads, toxicity, chelators, sulphur-based tripods, cysteine, D-penicillamine (D-PEN), trigonal environments, copper (I) proteins, metallothioneins, Mer-R, X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS).