Dans le cadre d'un programme de recherche sur la mise au point de nanostructures peptidiques ayant une activité membranaire, des membres de l'équipe ont démontré que les peptides synthétiques, neutres et de 14 acides aminés avaient des propriétés cytolytiques comparables à celles des peptides cationiques. Le présent mémoire propose une étude sur le design, le développement et la caractérisation de nanostructures peptidiques à visée antimicrobienne. Diverses approches pour contrer le phénomène de résistance antimicrobienne ont été employées par plusieurs groupes de recherche. L'approche de notre laboratoire est présentée au chapitre 3. Les études de perméabilité membranaire de la banque de peptides synthétisés (chapitre 4) ainsi que les études conformationnelles (chapitre 5) ont permis d'en apprendre davantage sur les déterminants moléculaires responsables de l'activité antimicrobienne. La sélectivité du composé neutre de départ a été améliorée et nous savons que les peptides sélectifs adoptent une conformation de feuillet-P en milieu membranaire.

Les pro-protéines convertases (PCs), nommées PC1/3, PC2, furine, PACE4, PC5/6, PC4 et PC7, sont impliquées dans l'activation de précurseurs protéiques de par le clivage endoprotéolytique qu'elles effectuent en C-terminal des paires de résidus basiques Lys/Arg-Arg. Ces protéases à sérine occupent des fonctions dans l'initiation et le maintient [i.e. maintien] du phénotype néoplasique puisqu'elles activent, entre autres, des protéines reliées à la prolifération, l'adhésion et l'invasion cellulaire cancéreuse. Étant donné le caractère unique et redondant dans la fonctionnalité des PCs, il est important de distinguer les rôles spécifiques tenus par chacune. Ainsi, l'implication de PACE4 dans la progression cancéreuse est de plus en plus investiguée. L'inhibiteur peptidique spécifique envers PACE4, LLLLRVKR (Multi-Leu ou ML), offre la possibilité d'étudier les impacts d'une inhibition de PACE4 sur les traits distinctifs d'une lignée cancéreuse. Pour introduire ces travaux, il a été prouvé que la lignée cancéreuse humaine de la prostate DU145 surexprimait uniquement PACE4. Nous démontrons par essais MTT que le ML réduit de 50% la prolifération de ce modèle. Suite à l'optimisation de la pénétration et de la stabilité du peptide, l'inhibition de la prolifération obtenue fut quasi complète. Des travaux ont aussi été réalisés afin de mieux comprendre ces effets. La formation de colonies, la viabilité cellulaire, le cycle de division et l'expression de diverses protéines furent étudiées. Enfin, la progression des tumeurs DU145 fut abolie par des traitements intra tumoraux avec le ML. Le ML est donc un inhibiteur de PACE4 qui bloque la progression tumorale, ce qui lui confère une application thérapeutique potentielle.

Thèse de doctorat : Chimie : Strasbourg 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 12 p.

Le présent mémoire porte sur le développement d'une approche générale en vue de la préparation et de l'utilisation de canaux ioniques artificiels pour la réalisation de biosenseurs. Cependant, l'utilisation de ces nanostructures peptidiques dans des dispositifs pratiques nécessite des modifications. Nous rapportons ici la modification sélective des extrémités de nos canaux ioniques par des groupements permettant leur attachement à une surface électro-attractive et la reconnaissance d'analytes biologiques. La première partie consiste en une description générale des biosenseurs, ainsi qu'en une revue des principaux modèles proposés dans la littérature de protéines «canal» d'origine naturelle ou artificielle comme composantes des ces outils de biodétection. Le second chapitre présente notre approche générale, les molécules cibles utilisées pour faire l'ingénierie de notre système modèle, de même que les méthodes de synthèse employées pour l'élaboration et la modification sélective des extrémités de nos nanostructures peptidiques. La troisième partie est consacrée à l'attachement du peptide à des surfaces d'or. La quatrième partie présente les différentes techniques utilisées pour la caractérisation des canaux ioniques et des nanoparticules d'or.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2016-2017 / Cette thèse porte sur l’élucidation du mode d’action de peptides synthétiques qui sont des analogues cationiques du peptide modèle 14-mère. À l’instar des peptides antimicrobiens naturels, ces peptides synthétiques induisent des perturbations membranaires et une meilleure connaissance de leur mode d’action s’avère un élément déterminant pour le design de nouveaux peptides synthétiques qui présenteront une activité antibactérienne maximale et une activité hémolytique moindre. Afin de mieux caractériser le rôle de certains déterminants moléculaires sur l’interaction membranaire, nous avons sélectionné deux catégories de peptides, soit des analogues qui ont une structure secondaire en hélice α et qui sont non sélectifs à l’égard des membranes mimétiques de bactérie et des analogues qui forment des feuillets β intermoléculaires et qui sont sélectifs à l’endroit des membranes mimétiques de bactérie. Les études réalisées ont fait intervenir plusieurs techniques spectroscopiques comme la spectroscopie infrarouge, la spectroscopie RMN des solides et la spectroscopie de fluorescence. Tout d’abord, nous avons vérifié le rôle des interactions électrostatiques sur l’interaction membranaire, et ce, en effectuant une étude comparative entre des analogues cationiques et anioniques. Les résultats obtenus démontrent que les peptides anioniques et cationiques ont un impact similaire sur la dynamique des têtes polaires des phospholipides et l’ordre conformationnel des chaînes acyle. Cependant, les tests de relargage ont démontré que seuls les peptides cationiques formant des feuillets β intermoléculaires sont sélectifs alors que les homologues anioniques qui forment des feuillets β intermoléculaires sont inactifs en présence des membranes mimétiques de bactéries et de cellules eucaryotes. Ensuite, pour mieux comprendre le mode de perturbation membranaire des peptides cationiques qui sont non sélectifs et sélectifs, nous avons effectué des études par spectroscopie RMN des solides sur des échantillons de peptides reconstitués dans des bicouches lipidiques mécaniquement orientées entre des lamelles de verre ainsi que échantillons bicellaires. Les résultats ont démontré que les peptides sélectifs perturbaient davantage l’orientation des phospholipides zwitterioniques en comparaison avec les peptides non sélectifs. De plus, les simulations spectrales réalisées sur les spectres expérimentaux suggèrent que les peptides non sélectifs induisent la formation de pores ayant une géométrie toroïdale. En terminant, nous avons étudié la topologie membranaire et la localisation dans la membrane d’un peptide ayant une conformation en hélice α (R5R10) et d’un peptide formant des feuillets β intermoléculaires (R4R11). Les résultats obtenus par RMN de l’azote-15 indiquent que le peptide R5R10 est localisé au niveau de la surface membranaire avec une certaine hétérogénéité dans l’orientation. Cette conclusion est soutenue par des expériences réalisées par spectroscopie infrarouge en mode ATR. Des mesures de distances à partir de la technique REDOR entre les phospholipides et les peptides ont permis de constater que le peptide en hélice α est localisé à proximité du noyau phosphore alors que le peptide en feuillets β agrégés est localisé plus superficiellement au niveau de la surface membranaire. Cette différence de pénétration dans la région interfaciale pourrait expliquer la différence de sélectivité entre le peptide R5R10 (non sélectif) et R4R11 (sélectif). De plus, les tests de relargage de la calcéine ont démontré que les deux peptides induisent une contrainte de courbure positive à la membrane lipidique. Ainsi, l’alliance des résultats suggèrent que le mode de perturbation membranaire des peptides R5R10 et R4R11 est similaire au mécanisme modèle du type sinking-raft. / This thesis is related to the determination of the mode of action of synthetic peptides that are cationic derivatives of the model 14-mer peptide. Similarly to the natural antimicrobial peptides, these synthetic peptides induce membrane perturbations and a better understanding of their mechanism of action is of primary importance to design new synthetic derivatives displaying higher antimicrobial and lower hemolytic activities. In order to characterize the role of certain molecular determinants on the membrane interactions, we have focused on two categories of peptides, namely peptides adopting an α-helical conformation which are non-selective towards bacterial mimetic membranes and peptides forming intermolecular β-sheet structures which are selective towards bacterial mimetic membranes. The experiments were carried out with several spectroscopic techniques such as infrared spectroscopy, solid-state NMR spectroscopy and fluorescence spectroscopy. First, we have studied the effect of electrostatic interactions on the membrane interactions by doing a comparative study between cationic and anionic analogs. The results show that both the anionic and the cationic derivatives have a similar impact on the dynamics of the phospholipid polar headgroups and on the conformational order of the acyl chains. However, dye-release experiments have shown that only the cationic derivatives forming intermolecular β-sheet structures are selective whereas their homologous β-sheet aggregated anionic peptides are inactive in the presence of both bacterial and eukaryotic mimetic membranes Then, to better understand the mode of membrane perturbation of non-selective and selective peptides, we have performed solid-state NMR experiments on peptides reconstituted in oriented samples of phospholipids. The results have shown that the selective peptides disrupt even more the orientation of zwitterionic phospholipids than the non selective peptides. In addition, the spectral simulations performed on experimental spectra suggest that the non-selective peptides induce the formation of pores having a toroidal geometry. To conclude, we have studied the membrane topology and the location into the membrane of the α-helical peptide R5R10 and the β-sheet aggregated peptide R4R11. The results obtained using ¹⁵N NMR indicate that the α-helical peptide is located on the membrane surface with a certain degree of heterogeneity. This conclusion is also supported by experiments performed using ATR spectroscopy. Distance measurements between phospholipids and peptides using the REDOR technique indicate that the α-helical peptide is near the phosphate nucleus of phospholipids whereas the β-sheet aggregated peptide is superficially located on the membrane surface. The difference of penetration into the interfacial region could explain the difference of selectivity between the R5R10 peptide (non selective) and the R4R11 peptide (selective). In addition, dye-release experiments have shown that both peptides induce a negative curvature strain to the membrane. Therefore, by taking into account all the results, it seems that the mechanism of action of these peptides is similar to the sinking-raft model mechanism.

Les médications intra canalaires, comme l’hydroxyde de calcium, sont utilisées en endodontie pour désinfecter le système radiculaire. Mais, les traitements endodontiques peuvent échouer en raison d’une infection persistante causée principalement par la subsistance de certaines bactéries dans le canal dentaire. Pour contrôler la croissance bactérienne, l’usage de peptides antimicrobiens comme la dermaseptine semble être une alternative prometteuse. Les objectifs de ce projet de recherche étaient de comparer les propriétés antibactériennes de la dermaseptine S1 (DS1) et de l’Ultracal XS (hydroxyde de calcium) sur la croissance d’Enterococcus faecalis et leur compatibilité respective sur les cellules souches de la pulpe dentaire. Méthode : E. faecalis est cultivé en présence ou non d’Ultracal XS (Ultradent), d’hydroxyde de calcium, de sulfate de baryum, de propylène glycol ou de DS1 (10, 50 and 100 µm/mL). La croissance bactérienne est évaluée pendant 24 h par spectrophotométrie. Les effets des différents composés sur les cellules souches pulpaires furent évalués par microscope optique à 24 et 48 h et par test de MTT à 48 h. Les données furent collectées de 3 expériences et soumises à une analyse statistique ANOVA à une issue et au test de Tukey. Résultats : L’Ultracal XS diminue légèrement la croissance bactérienne, alors que l’hydroxyde de calcium pur, le sulfate de baryum et le propylène glycol n’ont pas eu d’effet sur la bactérie. La DS1, même à de faibles concentrations, a significativement réduit la croissance bactérienne. L’effet inhibiteur a été présent pendant 24 heures, avec des concentrations de DS1 de 50 et 100 µm/mL. De plus, l’Ultracal XS et ses constituants ont montré un effet toxique important sur l’adhésion et la croissance des cellules souches pulpaires, alors que la DS1 montre seulement un effet toxique modéré à des concentrations de 100 µm/mL. Conclusion : L’Ultracal XS diminue modérément la croissance d’ E. faecalis alors que la DS1 la réduit de façon importante. Les effets toxiques au niveau des cellules souches pulpaires sont modérés pour la DS1 en comparaison avec l'Ultracal XS. Cette étude a démontré qu’il pourrait être intéressant d’utiliser les dermaseptines en médication intracanalaire en endodontie. / Intracanal medication is used in endodontics to disinfect the root canal system, but sometimes endodontic treatments fail due to the persistence of infection. Antimicrobial peptides such as dermaseptins might be a good alternative to calcium hydroxide for intracanal medication.Endodontic treatments can fail due to the persistence of infection. Antimicrobial peptidesmight be a good alternative to calcium hydroxide for intracanal medication. This study aimsto compare the antimicrobial properties of dermaseptin S1 (DS1) and Ultracal XS against E.faecalis growth and their compatibility with dental pulp stem cells (DPSC). Methods: E.faecalis cells were cultured in the presence or not of Ultracal XS (Ultradent), calcium hydroxide, barium sulfate, propylene glycol, or DS1 (10, 50, and 100 µm/mL). The bacterial growth was assessed over 24 h by spectrophotometry. The effect of the different chemicals on the shape and growth of DPSCs were evaluated using an optical microscope at 24 and 48h and an MTT assay after 48 h. Data were collected from 3 experiments and subjected tostatistical analysis using one-way ANOVA and Tukey’s test. Results: Ultracal XS, slightly decreased the growth of bacteria, while calcium hydroxide, barium sulfate, and propyleneglycol do not affect the growth of E. faecalis. Interestingly, DS1 significantly reduced thegrowth of E. faecalis. The inhibitory effect was present up to 24 h culture, with 50 and 100ug/ml of DS1. Ultracal XS and its constituents have a high toxic effect on DPSC adhesion and growth, while DS1 showed moderate adv erse effects only at high concentrations (100µg/ml). Conclusions: Ultracal XS moderately, while DS1 highly decreased the growth of E.faecalis. The toxic effect of DS1 on DPSCs was moderate compared to Ultracal XS. This study demonstrated the potential use of dermaseptin as an intracanal medication.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Ce mémoire porte sur l'étude des mécanismes d'action de peptides cationiques à visée antimicrobienne longs de 14 acides aminés. Des études antérieures ont montré que la substitution de résidus leucine par des résidus lysine pouvait, dans certains cas, diminuer considérablement le caractère hémolytique des peptides, augmentant ainsi leur sélectivité pour les membranes bactériennes. Nous avons procédé à des études par spectroscopic RMN et infrarouge, appuyées par des simulations informatiques, afin d'étudier les interactions entre des peptides sélectifs et non-sélectifs et des membranes modèles zwitterioniques et anioniques. Les résultats permirent de proposer deux mécanismes distincts qui peuvent expliquer le comportement de l'ensemble des analogues étudiés. Les peptides non-sélectifs se positionneraient à la surface des bicouches et y formeraient des pores via un mécanisme semblable au modèle "sinking-raft". Les peptides sélectifs s'agrégeraient plutôt en plaques à la surface des bicouches, y causant des défauts conduisant à la perméabilisation des membranes.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Le présent mémoire propose une étude sur la caractérisation biophysique et in vivo de peptides formant des canaux ioniques artificiels nommés LS2 et LS3. Ces molécules servant de modèles ont d'abord été mises au point par DeGrado et al en 1988, pour être ensuite caractérisées et modélisées jusqu'en 2007. Nous nous appuyons donc sur ces travaux ainsi que sur des études antérieures effectuées au sein de notre laboratoire pour éclaircir davantage les phénomènes d'auto-assemblage propres à ces peptides modèles. La première partie introduit le sujet des nanostructures peptidiques et la problématique de l'auto-assemblage à l'aide de plusieurs exemples tirés de la littérature récente. Les chapitres 1 et 2 traitent, dans un premier temps, des canaux ioniques naturels et offrent une analyse des éléments structuraux qu'ils partagent. Par la suite, une analyse des critères visés pour la création d'un canal ionique modèle est offerte. Celle-ci est suivie d'une présentation détaillée de LS2 et LS3. Le troisième chapitre présente la synthèse d'analogues fluorescents destinés aux caractérisations biophysiques et in vivo. Les chapitres 4 et 5 se consacrent aux études de dichroïsme circulaire et d'incorporation transmembranaire en infrarouge, respectivement. Le dernier chapitre présente les études de localisation in vivo réalisées avec les analogues fluorescents que nous avons synthétisés.

L’augmentation et la propagation alarmante de la résistance aux antibiotiques chez les bactéries pathogènes sont devenues un problème important de santé publique. Pour surmonter cette situation inquiétante, il y a un besoin croissant de nouveaux agents antimicrobiens avec des modes d’action innovants. La grande majorité des espèces bactériennes utilisent des peptides pour se défendre et se protéger contre d’autres microorganismes dans leur environnement. Ces peptides antimicrobiens possèdent des spectres d’activité et modes d’action très variés et représentent une source très intéressante pour découvrir et développer des agents antibactériens efficaces. L’objectif du projet consistait à faire le design et la synthèse d’analogues du peptide antimicrobien microcine J25 pour effectuer des études structure-activité et mieux comprendre les modes d’action. Comme la microcine J25 possède une structure particulière en lasso et extrêmement difficile à reproduire de façon synthétique, la stratégie était de faire le design par approche computationnelle d’analogues capables de mimer la structure de la microcine J25 sans passer par le lasso. Après leur synthèse, ces analogues ont été utilisés dans une étude structure-activité pour mieux comprendre l’impact de la structure sur le mode d’action et identifier les parties de la microcine J25 qui sont impliquées dans le transport et les interactions avec les cibles bactériennes. / The increasing and alarming spread of antibiotic resistance by pathogenic bacteria have become an important public health problem. To overcome this worrying situation, there is a growing need for new antimicrobial agents with innovative modes of action. The vast majority of bacterial species use peptides to defend and protect themselves against other microorganisms in their environment. These antimicrobial peptides possess a wide range of activity spectra and modes of action and are a very good source to discover and develop effective antimicrobial agents. The objective of this project was to design and synthesize analogues of the antimicrobial peptide microcin J25 to perform structure-activity studies for a better understanding of its modes of action. As the microcin J25 has a particular lasso structure that is extremely difficult to replicate synthetically, the strategy was to design by computational approach analogues capable of mimicking the microcin J25’s structure without the lasso topology. After synthesis, these analogs were used in a structure-activity study to better understand the impact of the structure on the mode of action and identify parts of the microcin J25 that are involved in the transport and interactions with bacterial targets.

Ce mémoire présente la synthèse et les études d'autoassemblage de peptides ayant la propriété de s'autoassembler. Ces études ont pour objectif principal de comprendre le processus qui régit l'autoassemblage des nanostructures protéiques de dimensions définies. Nous avons choisi de réaliser ces études d'autoassemblage à partir des peptides amphiphiles, neutres de type (LSLLLSL)3 et (LSSLLSL)3. Dans les quinze dernières années, plusieurs travaux, entre autres du Professeur W.F. DeGrado, démontrent que ces peptides ont la propension à s'autoassembler dans les milieux hydrophobes. Le premier chapitre porte sur les nanostructures protéiques autoassemblantes naturelles et artificielles. Ce chapitre suscite un questionnement sur les règles et les propriétés permettant le processus d'autoassemblage moléculaire. Le deuxième chapitre traite des études antérieures réalisées sur les peptides hélicoïdaux (LSLLLSL)3 et (LSSLLSL)3 communément appelé LS2 et LS3 dans la littérature. Le troisième chapitre décrit les différentes voies de synthèse des dérivés fluorescents LS2 et LS3 dans le but de faire des études d'autoassemblage. Finalement, les chapitres 4, 5 et 6 portent principalement sur la caractérisation de nos peptides fluorescents par dichroïsme circulaire, par fluorescence et par microscopie à force atomique.