La chimie combinatoire est un moyen efficace pour découvrir des molécules biologiquement actives. Dans ce travail, nous avons exploré deux approches combinatoires différentes pour synthétiser des bibliothèques de cyclopeptides. Tout d'abord, nous avons développé une stratégie basée sur l'assemblage aléatoire et chimiosélectif de biomolécules sur un châssis peptidique. Cette approche réalisée en solution a permis de générer des bibliothèques d'hétéroglycoclusters et de sélectionner les meilleurs ligands par colonne d'affinité portant une lectine modèle, la Concanavaline A. Dans une seconde approche, des bibliothèques de peptides cycliques ont été préparées par la méthode split and mix. Celles-ci ont été conçues et décodées selon l'algorithme mis au point dans le groupe du Pr. Reymond (Berne, Suisse) qui permet d'attribuer la séquence de chaque peptide sans marquage et de manière quasi-unique. Ces bibliothèques ont été criblées sur le support avec la vitamine B12 et la Caseine Kinase 2.

Depuis quelques décennies, l’étude de systèmes biologiques complexes est un domaine en plein essor. Ainsi, des outils de ligation des biomolécules avec des reporters chimiques ont été mis en place afin d’avoir une compréhension toujours fine du vivant. Les ligations sont des réactions chimiques biocompatibles permettant de lier deux entités synthétiques ou biologiques entre elles. On regroupe généralement ces ligations en deux catégories, les réactions de bioconjuguaison, qui font intervenir des fonctions chimiques naturellement présentes dans les biomolécules, et les réactions bio-orthogonales qui n’interfèrent pas avec les fonctions chimiques présentes dans ces milieux, mais nécessitent en amont une modification des partenaires de réaction. Cependant, il convient de faire la distinction avec une troisième catégorie, les réactions de conjugaison chimiosélectives, qui mettent en oeuvre des fonctions non naturellement présentes sur les biomolécules. En ce sens, elles se rapprochent donc des réactions bio-orthogonales, mais les fonctions ou conditions mises en jeu ne sont pas suffisamment bio-orthogonales ou les réactions ne sont pas suffisamment rapides pour pouvoir être réalisées dans les systèmes biologiques. Ces ligations sont toutefois très utilisées pour de la construction biomoléculaire allant de la petite molécule (par exemple oligopeptide modifié) à la biomacromolécule (type protéine modifiée) et se distinguent par une facilité de mise en oeuvre et purification des conjugués, ce qui n’est pas toujours réa lisable avec l’arsenal des réactions bio-orthogonales qui conduisent à la formation de multiple isomères. Ainsi, mes travaux de thèse se sont orientés vers la découverte et/ou l’étude de ligations chimiosélectives ainsi qu’à leur utilisation dans la préparation de sondes fluorescentes voire fluorogéniques. L’étude de la ligation Kondrat’eva préalablement développée au sein du laboratoire, a permis de mettre en évidence son caractère fluorogénique, et a été exploitée pour le marquage fluorescent de molécules via une étape unique de ligation fluorogénique. Puis, le développement d’une ligation utilisant le système tétrazine/pyrazolone a été développée afin de pallier le manque de sélectivité des réactions basées sur le motif tétrazine proposées jusqu’alors, qui conduisent aux bioconjugués sous la forme d’un mélange de produits. Cette approche a été illustrée par le marquage fluorescent d’une protéine humaine. Enfin, le développement d’une nouvelle voie d’accès aux quinoxalinones a permis leur étude photophysique et la mise en évidence de propriétés fluorogéniques utilisées notamment pour la synthèse d’une biosonde. / In recent decades, the study of complex biological systems has been a growing field. Thus, biomolecules ligation tools with chemical reporters were set up in order to have a better and fine understanding of the living. Ligations are biocompatible chemical reactions that link two synthetic or biological entities one antother. These ligations are generally gathered into two categories, bioconjugation reactions, using chemical functions naturally present in the biomolecules, and bio-orthogonal reactions which does not interfere with these function, but require a prior engineering of the biological partner. However, it is necessary to distinguish a third category, the chemoselective conjugation reactions, which implement functions not naturally present on biomolecules. In this sense, they are therefore closer to bio-orthogonal reactions, but the functions or conditions involved are not sufficiently bioorthogonal or the reactions are not fast enough to be carried out in any biological systems. These ligations are, however, widely used for biomolecular constructions ranging from the small molecule (for example modified oligopeptides) to the biomacromolecule (protein modification) and are distinguished by their ease of implementation and purification of the conjugates, which is not always feasible with the arsenal of bio-orthogonal reactions that leads to the formation of multiple isomers. Thus, my PhD work focused on the discovery and / or the study of chemoselective ligations as well as their use in the preparation of fluorescent or fluorogenic probes. The study of the Kondrat'eva ligation previously developed within the laboratory, highlighted its fluorogenic behaviour, and was exploited for the fluorescent labelling of molecules through a single fluorescence-ligation step. Then, the development of a ligation using the tetrazine / pyrazolone system was developed in order to overcome the lack of selectivity of the reactions based on the tetrazine scaffold which often lead to the formation of bioconjugates as a mixture of isomers. This approach has been illustrated by the fluorescent labelling of a human protein. Finally, the development of a new access route to quinoxalinones allowed to study their photophysical properties and to highlight their fluorogenic properties which were leveraged in particular for the synthesi s of a bioprobe.

Les interactions multivalentes sucre/protéine sont impliquées dans de nombreux processus biologiques tels que l'adhésion hôte-pathogène, la communication cellulaire ou les réponses immunitaires. La conception de glycoconjugués capables de présenter des motifs osidiques en cluster est essentielle, non seulement pour étudier ces phénomènes de reconnaissance complexes mais aussi pour développer des agents biologiquement actifs. Dans ce contexte, l'objectif de ma thèse a été de synthétiser de nouveaux glycoclusters et d'évaluer leurs propriétés biologiques. Ces glycoclusters ont été obtenus en conjuguant des sucres sur des cyclopeptides par des méthodes chimiosélectives (cycloaddition de Huisgen et ligation oxime). Des composés tetravalents, hexavalents et hexadécavalents d'architectures et de compositions variables ont été synthétisés, entièrement caractérisés puis évalués au laboratoire ou dans le cadre de collaborations avec différentes cibles. Un glycocluster hexadécavalent fucosylé a ainsi pu être identifié comme puissant inhibiteur de l'interaction de la lectine PA-IIL de la bactérie Pseudomonas aeruginosa à une concentration subnanomolaire. Une autre famille de composés associant des sucres et des peptides a montré des propriétés immunologiques uniques, notamment pour activer les cellules NK contre des cellules cancéreuses sans déclencher de phénomène d'autoapoptose. Mots clés : chimie des sucres, chimie des peptides, glycoclusters, ligations chimiosélectives, interactions sucre-protéine, lectine, cellule NK. / Multivalent carbohydrates-protein interactions are involved in a large variety of biological processes such as host-pathogen adhesions, cell communication or immune responses. The design of glycoconjugates displaying multiple copies of sugars as cluster is essential, not only to study these complex recognition processes but also to develop bioactive agents. In this context, the objective of my PhD was to synthesize new glycoclusters and evaluate their biological properties. These glycoclusters were obtained by conjugating carbohydrate moieties and peptides using chemoselective ligations (Huisgen cycloaddition and oxime ligation). Tetravalent, hexavalent and hexadecavalent glycoclusters with variable structures and compositions were synthesized, fully characterized and biologically evaluated with different targets in our laboratory or in collaborations. A hexadecavalent fucosylated glycocluster was thus identified as a strong inhibitor of the lectin PA-IIL from Pseudomonas aeruginosa at subnanomolar concentration. Another type of molecule containing carbohydrate and peptides has showed unique immunological properties, in particular for the activation of NK cells against tumors without inducing apoptotic effect Key words: carbohydrate chemistry, peptide chemistry, chimioselective ligations, glycoclusters, carbohydrate-protein interactions, lectin, NK cell.

Au cours de ce travail, nous avons effectué une étude méthodologique pour la préparation de banques de triazoles, en utilisant la réaction de la chimie " clic ". Ces études ont démontré que la réaction entre un alcyne vrai activé et un azoture est possible dans les conditions sans solvant et sans catalyseur pour conduire un mélange d'isomères 1,4 et 1,5 avec un rendement moyen de 76%. Nous avons remarqué que l'addition des métaux (SiO2, MgCl2, Al2O3, FeCl3 et CuCl2) permettait d'améliorer les rendements des réactions, et on a observé que la silice est la meilleur catalyseur, alors que la catalyse au cuivre (I) donne une sélectivité complète pour l'isomère 1,4. Ce résultat est bien confirmé par l'étude de la régiosélectivité qui montre que les molécules contenant deux types d'alcynes (activé et non activé) peuvent êtres fonctionnalisés séquentiellement et sélectivement. Nous avons aussi préparé les bis-triazoles en deux étapes : la première sur l'alcyne activé sans catalyseur et la deuxième étape se fait sur l'alcyne non activé par catalyse au cuivre (I), ce qui permet de dire que les alcynes terminaux portant un groupement carbonyle en  de la triple liaison sont beaucoup plus réactifs.Nous avons également pu étendre l'application de la catalyse supportée dans la réaction de Huisgen dans les domaines de la synthèse de dérivés de produits naturels et d'éthers couronne. En utilisant la synthèse classique et en flux continu, nous avons pu préparer des structures originales dérivées de l'acide quinique porteuse de cycles triazoliques. Ces composés seront testés pour leur activité biologique. Nous avons également entrepris la synthèse de dérivés nouveaux d'éthers couronnes azotes afin d'incorporer à ces structures des bras contenant un ou deux noyaux triazoles. L'obtention de ces substances permettra d'ouvrir l'étude de leur propriétés complexantes dans l'avenir

Les interactions multivalentes sucre/protéine sont impliquées dans de nombreux processus biologiques tels que l'adhésion hôte-pathogène, la communication cellulaire ou les réponses immunitaires. La conception de glycoconjugués capables de présenter des motifs osidiques en cluster est essentielle, non seulement pour étudier ces phénomènes de reconnaissance complexes mais aussi pour développer des agents biologiquement actifs. Dans ce contexte, l'objectif de ma thèse a été de synthétiser de nouveaux glycoclusters et d'évaluer leurs propriétés biologiques. Ces glycoclusters ont été obtenus en conjuguant des sucres sur des cyclopeptides par des méthodes chimiosélectives (cycloaddition de Huisgen et ligation oxime). Des composés tetravalents, hexavalents et hexadécavalents d'architectures et de compositions variables ont été synthétisés, entièrement caractérisés puis évalués au laboratoire ou dans le cadre de collaborations avec différentes cibles. Un glycocluster hexadécavalent fucosylé a ainsi pu être identifié comme puissant inhibiteur de l'interaction de la lectine PA-IIL de la bactérie Pseudomonas aeruginosa à une concentration subnanomolaire. Une autre famille de composés associant des sucres et des peptides a montré des propriétés immunologiques uniques, notamment pour activer les cellules NK contre des cellules cancéreuses sans déclencher de phénomène d'autoapoptose. Mots clés : chimie des sucres, chimie des peptides, glycoclusters, ligations chimiosélectives, interactions sucre-protéine, lectine, cellule NK.

Dans ce document, serons détaillées les résultats de mes travaux de recherche d’études doctorales. Tout d’abord, nous discuterons de la synthèse totale de la lépadine B, la plus courte à paraître dans la littérature à ce jour. Cette synthèse, en plus de valoriser la synthèse asymétrique de pipéridines poly-substituées développée par l’équipe du professeur Charette, mettra à profit une utilisation originale d’une séquence de fermeture-ouverture de cycle par la réaction de métathèse d’alcènes. De plus, nous détaillerons une brève étude mécanistique de cette dernière nous ayant permis la proposition d’un mécanisme peu commun de ce type de séquence réactionnel et dont les conséquences expérimentales sont impressionnantes. Au cours de cette synthèse, nous avons identifié un synthon d’une grande valeur synthétique. En effet, ne comportant pas moins que quatre centres chiraux, ce synthon pouvait être obtenu énantiopure en seulement trois étapes à partir de la pyridine. Ainsi, nous avons effectué une analyse structurale de ce synthon et avons envisagé une valorisation supplémentaire par une utilisation originale de la fragmentation de Grob. Dans ce contexte, nous avons développé une toute nouvelle synthèse de pipéridines 2,3,6-trisubstituées hautement régio- et diastéréosélective. Afin de pouvoir réaliser la précédente méthodologie, nous avons dû étudier la réduction d’une amide en présence de groupements fonctionnels sensibles dans les conditions usuelles. Heureusement, l’année précédente nous avions développée une réaction hautement chimiosélective d’amides tertaires. Cette nouvelle réaction, qui a été fondamentalement inspiré par une méthodologie du professeur Charette sur l’activation d’amides, a permis la réduction d’amides tertiaires en présence de fonctions telles les cétone, ester, nitrile, époxyde, insaturations, etc. Enfin, l’ensemble des connaissances acquises au cours de ces projets a permis l’élaboration d’une toute nouvelle stratégie de synthèse pour la préparation d’indolizidines et quinolizidines. Plus spécifiquement, nous avons développé la première séquence d’activation intramoléculaire et déaromatization asymétrique de la pyridine. Ceci permet d’avoir un accès aux squelettes indolizidine et quinolizidine avec des stéréosélectivités élevées, la nature insaturée de ces derniers laissant également place à une grande flexibilité synthétique. Dans ce contexte, nous allons détailler une très courte synthèse de trans-indolizidines. / In this document, the results of Ph.D. thesis will be detailed. First, we will discuss the synthesis of alkaloid lepadin B, the shortest to appear in the literature to date. This synthesis, in addition to validating the asymmetric synthesis of polysubstituted piperidines developed earlier by the group of Professor Charette, will highlight an original use of a ring-closing ring-opening alkene metathesis sequence. Also, a brief mechanistic study of the latter reaction will be detailed, a study which led us to propose an unusual mechanism for this reaction sequence and for which the experimental concequences are impressive. During the total synthesis of lepadin B, we identified a synthon of great synthetic value. Indeed, containing not less than four chiral centres, that synthon could be obtained enantiopure through a short three-step synthesis from pyridine. We performed a structural analysis of this synthon and we envisaged an additional validating through an original use of the Grob fragmentation. Consequently, we developed a new highly regio- and diastereoselective synthesis of 2,3,6-trisubstituted piperidines. To succesfully realize the latter methodology, it was required to perform an amide reduction in the presence of sensitive functionnalities under usual reduction conditions. Fortunatly, we had recently developed a set of conditions for the highly chemoselective reduction of tertiary amides. This new reaction, fundamentaly inspired by an amide activation methodology from Charette’s group, allowed the reduction of amides in the presence of functionalities such as ketone, ester, nitrile, epoxide, unsaturations, etc. Finaly, the knowledge acquired by conducting this research allowed for the elaboration of a new methodology for the synthesis of indolizidines and quinolizidines. Specifically, we developed the first intramolecular pyridine activation-asymmetric dearomatization reaction of the pyridine. This led us to the highly stereoselective access to indolizidine and quinolizidine backbone, the unsaturated nature of which permitting a good degree of synthetic flexibility. In that context, we will detail a short synthesis of trans-indolizidines.

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Dans ce document, serons détaillées les résultats de mes travaux de recherche d’études doctorales. Tout d’abord, nous discuterons de la synthèse totale de la lépadine B, la plus courte à paraître dans la littérature à ce jour. Cette synthèse, en plus de valoriser la synthèse asymétrique de pipéridines poly-substituées développée par l’équipe du professeur Charette, mettra à profit une utilisation originale d’une séquence de fermeture-ouverture de cycle par la réaction de métathèse d’alcènes. De plus, nous détaillerons une brève étude mécanistique de cette dernière nous ayant permis la proposition d’un mécanisme peu commun de ce type de séquence réactionnel et dont les conséquences expérimentales sont impressionnantes. Au cours de cette synthèse, nous avons identifié un synthon d’une grande valeur synthétique. En effet, ne comportant pas moins que quatre centres chiraux, ce synthon pouvait être obtenu énantiopure en seulement trois étapes à partir de la pyridine. Ainsi, nous avons effectué une analyse structurale de ce synthon et avons envisagé une valorisation supplémentaire par une utilisation originale de la fragmentation de Grob. Dans ce contexte, nous avons développé une toute nouvelle synthèse de pipéridines 2,3,6-trisubstituées hautement régio- et diastéréosélective. Afin de pouvoir réaliser la précédente méthodologie, nous avons dû étudier la réduction d’une amide en présence de groupements fonctionnels sensibles dans les conditions usuelles. Heureusement, l’année précédente nous avions développée une réaction hautement chimiosélective d’amides tertaires. Cette nouvelle réaction, qui a été fondamentalement inspiré par une méthodologie du professeur Charette sur l’activation d’amides, a permis la réduction d’amides tertiaires en présence de fonctions telles les cétone, ester, nitrile, époxyde, insaturations, etc. Enfin, l’ensemble des connaissances acquises au cours de ces projets a permis l’élaboration d’une toute nouvelle stratégie de synthèse pour la préparation d’indolizidines et quinolizidines. Plus spécifiquement, nous avons développé la première séquence d’activation intramoléculaire et déaromatization asymétrique de la pyridine. Ceci permet d’avoir un accès aux squelettes indolizidine et quinolizidine avec des stéréosélectivités élevées, la nature insaturée de ces derniers laissant également place à une grande flexibilité synthétique. Dans ce contexte, nous allons détailler une très courte synthèse de trans-indolizidines. / In this document, the results of Ph.D. thesis will be detailed. First, we will discuss the synthesis of alkaloid lepadin B, the shortest to appear in the literature to date. This synthesis, in addition to validating the asymmetric synthesis of polysubstituted piperidines developed earlier by the group of Professor Charette, will highlight an original use of a ring-closing ring-opening alkene metathesis sequence. Also, a brief mechanistic study of the latter reaction will be detailed, a study which led us to propose an unusual mechanism for this reaction sequence and for which the experimental concequences are impressive. During the total synthesis of lepadin B, we identified a synthon of great synthetic value. Indeed, containing not less than four chiral centres, that synthon could be obtained enantiopure through a short three-step synthesis from pyridine. We performed a structural analysis of this synthon and we envisaged an additional validating through an original use of the Grob fragmentation. Consequently, we developed a new highly regio- and diastereoselective synthesis of 2,3,6-trisubstituted piperidines. To succesfully realize the latter methodology, it was required to perform an amide reduction in the presence of sensitive functionnalities under usual reduction conditions. Fortunatly, we had recently developed a set of conditions for the highly chemoselective reduction of tertiary amides. This new reaction, fundamentaly inspired by an amide activation methodology from Charette’s group, allowed the reduction of amides in the presence of functionalities such as ketone, ester, nitrile, epoxide, unsaturations, etc. Finaly, the knowledge acquired by conducting this research allowed for the elaboration of a new methodology for the synthesis of indolizidines and quinolizidines. Specifically, we developed the first intramolecular pyridine activation-asymmetric dearomatization reaction of the pyridine. This led us to the highly stereoselective access to indolizidine and quinolizidine backbone, the unsaturated nature of which permitting a good degree of synthetic flexibility. In that context, we will detail a short synthesis of trans-indolizidines.

Le travail ici exposé a pour finalité le développement d'une méthode efficace de fonctionnalisation et d'adressage de biomolécules sur support solide fermé tel que des microcanaux ou capillaires. La fonctionnalisation de la surface de verre ou de silicium est réalisée en utilisant la formation d'un lien covalent oxime entre la molécule et le support. L'adressage est réalisé en utilisant une déprotection photochimique de la fonction oxyamine protégée par un groupe photolabile (NPPOC). Nous avons démontré en format plan et en format capillaire que la surface oxyamine protégée par un groupe photolabile est efficace pour l'immobilisation de plusieurs oligonucléotides de façon localisée. La stratégie a été étendue pour l'immobilisation dans les capillaires d'autres molécules tels que les sucres, peptides ou molécules hydrophobes et hydrophiles. Les résultats montrent l'efficacité de notre stratégie pour l'immobilisation de ce type de molécules. Nous avons également montré que l'utilisation d'une surface hydrophile (PEG) améliore sensiblement le bruit de fond.