Cette thèse traite de la conception de sondes fluorogènes incorporant des bras espaceurs auto-effondrables répondant à l’activité enzymatique.Ces travaux commencent par la synthèse d’une sonde modèle à trois composantes pour détecter l’activité de la Leucine AminoPeptidase (LAP). Le cœur de cette sonde est un espaceur cyclisant efficace (t1/2 cyclisation≈7sec) qui unit un substrat enzymatique à un fluorophore précipitant avec une stabilité exemplaire (pas de dégradation sur 15h d’incubation). Appliquée sur des cellules vivantes, cette sonde produit des précipités fluorescents qui marquent durablement les cellules. L’élaboration de sondes pour d’autres enzymes a cependant soulevé l’importance d’abaisser le seuil de solubilité du fluorophore.Cette thèse se penche également sur deux nouvelles conceptions de sondes à la spécificité améliorée. Alors que la première tente de réutiliser les efforts déployés pour obtenir des inhibiteurs hautement sélectifs, la seconde est basée sur deux transformations successives par deux enzymes indépendantes. Si la première solution a échoué jusqu’alors, la seconde nous a effectivement permis de différencier des populations cellulaires.Enfin, ce manuscrit détaille le développement d’une nouvelle génération d’espaceur permettant l’affinement de certaines propriétés des sondes. Focalisés sur l’amélioration de l’hydrosolubilité, les premiers exemples sont très prometteurs. Particulièrement, une sonde pour Péncilline G Amidase possède une hydrosolubilité 3500 fois supérieure à celle de son analogue commercial. Véritables multiprises chimiques, ces espaceurs devraient permettent de relever certains des grands défis de la chimie médicinale moderne. / This thesis concerns the design and evaluation of fluorogenic molecular probes that respond to enzyme activity via the help of self-immolative spacers.This work starts with the synthesis of a model three-component probe that detects the activity of Leucine AminoPeptidase (LAP). The heart of this probe is an efficient cyclizing spacer (t1/2 cyclization≈7sec) that links a specific enzyme substrate to a precipitating fluorophore with an exemplary stability (no false positive signal over 15h incubation). When incubated with live cells, this construct is processed by active LAP to yield fluorescent precipitates which lead to long-term cell-tagging. However, probes susceptible to other enzyme activity have indicated the interest in further reduction of the solubility threshold of ELF®97.This manuscript also describes two new strategies to improve the specificity of the probes. While the first tries to take advantage of the efforts made to develop highly selective inhibitors, the second is based on two consecutive transformations by two independent enzymes. The first strategy has not yet been successfully applied in our hands, but the second has led to a first prototype that allowed discriminating between different cell lines.Lastly, this thesis relates the design and synthesis of a new generation of cyclizing spacer which opens up a great number of possibilities to optimize probes’ properties. For example, a probe targeting Pencilline G Amidase and containing such a spacer possesses a hydrosolubility 3500 times higher than its commercial analogue. As true “molecular hubs”, these spacers may turn out to address the big challenges of modern imaging agent and prodrug development.

Cette thèse de doctorat traite de la conception et de l’évaluation de sondes magnétogènes et fluorogènes pour la détection in vivo d’activités enzymatiques.Des molécules capables d’acquérir un moment magnétique à partir d’un état diamagnétique et en réponse à l’action d’une enzyme seraient d’un grand intérêt pour l’imagerie moléculaire par résonance magnétique. Deux exemples de telles sondes magnétogéniques avaient été mis au point précédemment, l’un pouvant opérer en conditions physiologiques, l’autre nécessitant une acidification du milieu pour devenir paramagnétique. En préparant de nouveaux analogues du premier exemple, j’ai pu trouver une molécule dont la fragmentation a lieu trois fois plus rapidement que la molécule originale. J’ai ensuite travaillé à la conception de sondes dérivées du deuxième exemple et répondant à des activités enzymatiques ; de telles molécules permettraient de réaliser la quantification in vitro d’une activité enzymatique à des fins diagnostiques. À ce titre, j’ai participé à l’élaboration de deux preuves de concept de dispositifs dédiés à la mesure du temps de relaxation longitudinale de micro-volumes. J’ai enfin entamé le développement de nouveaux complexes s’inspirant du second exemple mais capables de fonctionner dans le milieu biologique.Le deuxième volet de mes travaux porte sur la réalisation de sondes fluorogènes précipitantes pour des activités glycosidases. Une sonde pour la leucine aminopeptidase profitant des propriétés exceptionnelles de stabilité, de luminescence et de solubilité du fluorophore ELF®-97 avaient démontré une grande efficacité pour marquer rapidement des cellules HeLa. J’ai mis au point une nouvelle architecture de sondes qui permet le ciblage de glycosidases via l’utilisation d’un tandem d’espaceurs cyclisants. Deux sondes ont été préparées, l’une pour la beta-galactosidase, l’autre pour la cellulase. La première a prouvé son bon fonctionnement pour marquer les cellules exprimant l’enzyme en bénéficiant d’une grande sensibilité. La seconde a pu être utilisée pour quantifier l’activité cellulase sécrétée par des levures, avec l’objectif d’obtenir un moyen économiquement intéressant de produire du bioéthanol à partir des déchets végétaux. / This PhD thesis deals with the design and evaluation of magnetogenic and fluorogenic probes for the in vivo detection of enzyme activities.Molecules capable of switching from a diamagnetic to a paramagnetic state in response to an enzyme stimulus would be of great interest for molecular magnetic resonance imaging. Two examples of such magnetogenic probes had been designed in a previous work : one can operate in physiological conditions, whereas the other needs an acidification of the water medium to become paramagnetic. I prepared new analogues of the first probe ; one molecule displayed fragmentation three times faster than the original compound. Then I designed and synthesized probes derived from the second example and responsive to enzyme activities ; such molecules are suitable for the in vitro quantification of enzyme biomarkers for diagnosis purposes. I participated to the conception of two proofs of concept of devices dedicated to the measurement of longitudinal relaxation times in micro-volumes. Finally, I started the development of a new family of molecules inspired by the second example but able to work at the physiological pH.I also worked on precipitating fluorogenic probes for the detection of glycosidase activities. A former probe for leucine aminopeptidase, based on the exceptional characteristics of the fluorophore ELF-97 in terms of solubility, luminescence and stability, had demonstrated great efficiency to label live HeLa cells. I designed a new architecture of probes responding to glycosidases via an original tandem of selfimmolative spacers. Two probes have been prepared, one targets beta-galactosidase and the second detects cellulase. The first probe performed a fast and sensitive labelling of beta-galactosidase-expressing cells. The second molecule was employed successfully to quantify the cellulase activity secreted by yeasts, which will be useful for the high-throughput screening of yeasts capable of producing bioethanol from vegetal waste.

L'imagerie de biomolécules, et plus particulièrement des glycanes, au sein d'organismes vivants, représente un incroyable challenge. Cependant, des progrès significatifs ont été réalisés ces dix dernières années grâce au développement de la stratégie du rapporteur chimique bioorthogonal. Cette technique implique, dans un premier temps, l'incorporation d'une fonctionnalité chimique non native (rapporteur) au sein de biomolécules complexes. Ce rapporteur peut ensuite réagir sélectivement avec une sonde moléculaire spécifique permettant ainsi la détection de la biomolécule ciblée. Afin d'imager ces biomolécules en temps réel, les sondes fluorogènes, des réactifs non fluorescents qui deviennent fluorescents après réaction avec le rapporteur chimique, ont été récemment développées. Ces dernières années, la cycloaddition 1,3-dipolaire sans métaux, entre les cylooctynes et les azotures, a été élégamment employée comme réaction bioorthogonale pour l'imagerie de biomolécules au sein d'organismes vivants. Cependant, l'azoture présente certaines limitations, notamment il peut être réduit par les thiols cellulaires. En conséquence, nous avons étudié l'utilisation de 1,3-dipôles plus stables, en tant que nouveaux rapporteurs chimiques bioorthogonaux pour l'imagerie de biomolécules par fluorescence. De plus, nous avons aussi développé de nouvelles sondes fluorogènes bioorthogonales ayant de bonnes propriétés de fluorescence, telles que de hautes valeurs de rendement quantique et des longueurs d'ondes d'émission déplacées dans le rouge, pour une potentielle application chez l'animal. / Imaging biomolecules, such as glycans, in living systems remains a formidable chemical challenge. However, significant progress has been made over the past ten years, with the ground-breaking development of the bioorthogonal chemical reporter strategy. In this context, complex biomolecules are fitted with a non-native chemical functionality (reporter) that can react selectively with a complementary bioorthogonal probe for detection. In order to image these biomolecules in real time, fluorogenic probes, non fluorescent reagents that produce highly fluorescent products, have recently been developed. This last decade, the metal-free 1,3-dipolar cycloaddition between cyclooctynes and azides have been elegantly employed for biomolecules imaging in living systems. However, azides suffer from limitations such as their reduction by endogenous cellular thiols. Consequently, we have investigated the use of more stable 1,3-dipoles as new chemical reporters for fluorescent biomolecule imaging. In addition, we also developed novel bioorthogonal fluorogenic probes with improved fluorescence properties such as high quantum yields and red-shifted fluorescence emission for potential applications in living animals.

Les microarrays, assemblages organisés d'entités chimiques, biologiques ou cellulaires sont en pleine expansion, car ils présentent un potentiel élevé en recherche fondamentale et appliquée. La mise en œuvre de la technologie microarray repose sur trois méthodes essentielles : la chimie de surface pour la fonctionnalisation des supports, l'utilisation de technologies de précision micrométrique pour fabriquer les microarrays et la détection. Parmi toutes les applications, les microarrays visant à détecter l'activité enzymatique ont connus un développement rapide car ils permettent de tester l'efficacité d'un grand nombre de substrats ou d'inhibiteurs en parallèle. Les protéases, enzymes indispensables aux organismes vivants, et cibles thérapeutiques reconnues, sont des modèles biologiques de choix pour les études d'activité enzymatique sur microarray. La synthèse chimique sur puce n'est en revanche pas très développée.<br />La technologie développée au sein du laboratoire nous permet de former sur quelques cm2 des microarrays de centaines de microgouttes constituant chacune un microréacteur indépendant. Le but de cette thèse est d'appliquer pour la première fois cette technologie à la synthèse chimique et à l'étude de l'activité protéolytique, avant de combiner de manière novatrice les deux approches pour réaliser un criblage.<br />L'application de ces microarrays en synthèse chimique a été utilisée avec succès pour la synthèse d'une banque de molécules chimiques et pour la recherche combinatoire de nouveaux fluorophores. En ce qui concerne l'enzymologie, l'observation de la protéolyse a été validée en utilisant trois types de substrats fluorogènes, dans un premier temps avec la papaïne, puis avec une métalloprotéase, et enfin avec la protéase virale NS3 du virus de l'hépatite C. Finalement, l'utilisation séquentielle de la synthèse chimique et de la biochimie sur un même microarray, qui constitue une approche inédite, a été dédiée à la recherche de nouveaux inhibiteurs de la protéase virale NS3. Ce criblage a conduit à la découverte de molécules potentiellement intéressantes comme agents antiviraux.

Les ARN (Acide RiboNucléique) remplissent de nombreuses fonctions clés dans le vivant. Ils peuvent être support de l'information génétique, régulateurs de celle-ci. Visualiser ces molécules au sein d'une cellule représenterait une étape importante vers une meilleure compréhension de la régulation de l'expression des gènes. Les ARN fluorogènes tels que Spinach et Mango sont des outils extrêmement prometteurs pour atteindre cet objectif. Cependant ces deux ARN fluorogènes présentent une brillance limitée. La Compartimentation in vitro assistée par microfluidique (µCIV) est un outil très prometteur dont notre groupe a démontré l’efficacité pour l’évolution d’ARN. Dans le cadre de cette thèse, la µCIV a été adaptée à la sélection d'aptamères d'ARN fluorogènes pour en améliorer les propriétés (surtout la brillance). De plus, l’utilisation conjointe du séquençage haut débit a permis l’optimisation très rapide et semi-automatisée à la fois d’aptamères mais aussi de biosenseurs fluorogènes. Ainsi, cette thèse a permis de mettre en place et d’exploiter des technologies de criblage robustes pour la découverte de nouveaux aptamères d'ARN et de biosenseurs. / RNA is a key molecule in gene expression and its regulation. Therefore, being able to monitor RNA through live-cell imaging would represent an important step toward a better understanding of gene expression regulation. RNA-based fluorogenic modules are extremely promising tools to reach this goal. To this end, two light-up RNA aptamers (Spinach and Mango) display attractive properties but they suffer from a limited brightness. Since previous work in the group demonstrated the possibility to evolve RNA using microfluidic-assisted in vitro compartmentalization (µIVC), this technology appeared to be well suited to improve light-up aptamers properties by an evolution strategy. Therefore, the µIVC procedure was adapted to fluorogenic RNA aptamers to improve their properties (especially the brightness). Finally, using µIVC in tandem with high-throughput sequencing (NGS) allowed further developing the technology into a more integrated and semi-automatized approach in which RNAs and biosensors are selected by µIVC screening and the best variants identified by a bioinformatics process upon NGS analysis. To summarize, this thesis allowed establishing robust µIVC screening workflows for the discovery of novel efficient light-up RNA aptamers as well as metabolites biosensors.