Le présent mémoire porte sur le design, la synthèse et la caractérisation de nanostructures peptidiques longues de 21 acides aminés pouvant servir de composantes moléculaires dans l'élaboration de biosenseurs ultrasensibles. Ces nanostructures utiliseront une biotine comme élément de reconnaissance et toute la structure servira de canal ionique pour la transmission des phénomènes de complexation. Le premier chapitre est consacré à l'introduction, à la description et aux applications de telles molécules dans un système de biosenseurs. Le second chapitre portera sur les concepts et l'élaboration de notre système modèle. La synthèse de nos molécules sera l'objet du troisième chapitre. Finalement, les réalisations et les perspectives futures seront abordées dans le quatrième chapitre.

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 peptides might be a good alternative to calcium hydroxide for intracanal medication. This study aims to 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 48 h and an MTT assay after 48 h. Data were collected from 3 experiments and subjected to statistical analysis using one-way ANOVA and Tukey's test. Results: Ultracal XS, slightly decreased the growth of bacteria, while calcium hydroxide, barium sulfate, and propylene glycol do not affect the growth of E. faecalis. Interestingly, DS1 significantly reduced the growth of E. faecalis. The inhibitory effect was present up to 24 h culture, with 50 and 100 ug/ml of DS1. Ultracal XS and its constituents have a high toxic effect on DPSC adhesion and growth, while DS1 showed moderate adverse effects only at high concentrations (100 µg/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.

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.

Titre de l'écran-titre (visionné le 15 décembre 2023) / Les peptides auto-assembleurs présentent des intérêts majeurs dans le secteur des nanotechnologies. Ils peuvent former des structures spécifiques capables de piéger des molécules bioactives et d'améliorer leur stabilité lors de la digestion gastro-intestinale. Plusieurs travaux ont montré que le peptide auto-assembleur f1-8 (β-Lg f1-8) généré par l'hydrolyse trypsique d'un isolat de protéines du lactosérum (IPL) formait un hydrogel après des étapes de concentration et de purification par filtration membranaire et lavage par centrifugation. Bien que ce procédé ne permettait pas de purifier le peptide β-Lg f1-8 avec le rendement attendu (~90%), un mélange peptidique complexe a été obtenu. Ces fractions peptidiques pourraient former des nanostructures capables de piéger des molécules bioactives. Une des applications ciblées serait donc d'utiliser ces fractions peptidiques pour la délivrance de composés bioactifs. Pour confirmer cette propriété, les interactions peptide-peptide impliquées dans la gélification des fractions peptidiques lors de la purification du peptide β-Lg f1-8 doivent être caractérisées afin de valider les mécanismes mis en jeu. Le premier objectif de cette thèse était de comprendre le processus de purification du β-Lg f1-8 et les interactions peptide-peptide impliquées. Pour cela, les fractions peptidiques obtenues lors des étapes de production du peptide β-Lg f1-8 ont été caractérisées en termes de profils peptidiques, de taux de pureté du peptide β-Lg f1-8 et de la capacité de gélification de chaque fraction. De manière générale, la pureté du β-Lg f1-8 était améliorée en augmentant le nombre de lavages. Néanmoins, malgré les faibles proportions en β-Lg f1-8 obtenues lors des premiers stades de lavage, la formation d'un hydrogel était tout de même constatée. Deux autres peptides (β-Lg f15-20 et β-Lg f41-60) identifiés dans des proportions importantes pourraient être impliqués dans la formation d'hydrogel. Il a été démontré qu'aux premiers stades de lavage, des interactions entre les différents peptides permettaient la formation d'un gel. À l'inverse, lorsque la pureté du β-Lg f1-8 était maximale, un cas particulier de gélification correspondant à l'auto-assemblage a été constaté. Le deuxième objectif de cette thèse visait à étudier l'impact de la concentration peptidique, de la température, du pH et de la concentration en β-Lg f1-8 sur la formation d'un hydrogel par une fraction peptidique issue de l'hydrolyse trypsique d'un isolat de protéines du lactosérum. De plus, l'impact des peptides β-Lg f15-20 et β-Lg f41-60 sur la formation de l'hydrogel par auto-assemblage du peptide β-Lg f1-8 a été déterminé. La formation d'hydrogel par les hydrolysats de protéines du lactosérum résultait d'un équilibre entre les liaisons hydrogène et les interactions hydrophobes et électrostatiques. Les interactions entre les peptides β-Lg f15-20 et β-Lg f41-60 et le peptide β-Lg f1-8 avaient un impact négatif sur l'auto-assemblage du β-Lg f1-8. Grâce aux résultats générés, un mécanisme pour la gélification des fractions peptidiques a été proposé. Le troisième objectif consistait à évaluer la capacité de l'hydrogel de peptide de lactosérum à piéger la curcumine, et à la protéger lors d'une digestion gastro-intestinale en système de digestion statique in vitro. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux générés pour un gel d'isolat de protéines sériques (IPL). Une efficacité de piégeage de la curcumine de 91% dans l'hydrogel peptidique a été obtenue contre 99,9% pour le gel d'IPL. À la fin de la digestion intestinale, la rétention de la curcumine était de 98% dans l'hydrogel peptidique, alors qu'elle était de 90% pour le gel d'IPL. Contrairement à ce dernier, la préservation du réseau de nanofibres, et donc des interactions hydrophobes peptide-curcumine au cours de la digestion intestinale, pouvait expliquer cette plus faible libération de curcumine. Les travaux de cette thèse ont donc mis en évidence la capacité de formation d'hydrogel par des fractions peptidiques lors des étapes de purification du peptide β-Lg f1-8. Par ailleurs, la compréhension des mécanismes mis en jeu au cours de la formation d'hydrogel par des fractions peptidiques issues d'une hydrolyse d'un IPL a pu être significativement améliorée afin de proposer une application potentielle de ces fractions peptidiques comme système de piégeage de la curcumine. Finalement, cette étude a permis d'améliorer la compréhension de la libération de la curcumine par la β-lactoglobuline. En conséquence ces différentes conclusions représentent une contribution novatrice pour le développement de nanostructures issues de peptides naturels constituant des systèmes de délivrance de composés bioactifs. / Self-assembling peptides have recently attracted attention in the nanotechnology sector. They can form specific nanostructures with the ability to trap bioactive molecules and enhance their stability during gastro-intestinal digestion. Several works showed that the self-assembling peptide β-Lg f1-8 generated by the tryptic hydrolysis of a whey protein isolate (WPI) could form hydrogels after concentration and purification by membrane filtration and wash steps. Despite the non-optimized purification rate of β-Lg f1-8 reached during the different processing steps, a complex mixture of peptides was obtained. These peptide fractions formed nanostructures with entrapment capacity of bioactive molecules, particularly hydrophobic compounds. A possible application would be to use these peptide fractions for the bioactive compound delivery. To confirm this property, the peptide-peptide interactions involved in the gelation of peptide fractions during purification of the β-Lg f1-8 peptide need to be characterized in order to validate the mechanisms involved. The first objective of this thesis was to understand the purification process of β-Lg f1-8 and the peptide-peptide interactions involved. Thus, the peptide fractions obtained during the β-Lg f1-8 production were characterized for their peptide profiles, β-Lg f1-8 purity and the gelation capacity of each fraction. Overall, the relative proportion of β-Lg f1-8 was correlated with the number of wash steps. Nevertheless, despite the low proportions of β-Lg f1-8 obtained for early purification steps, hydrogel formation was observed. Two other peptides (β-Lg f15-20 and β-Lg f41-60) identified in significant proportions could be involved in hydrogel formation. At the beginning of the purification steps, interactions between peptides with the capacity to form gel were observed. On the contrary, when the purity of β-Lg f1-8 was maximal, gels were produced by self-assembling of β-Lg f1-8. The second objective of this thesis was to investigate the impact of peptide concentration, temperature, pH and β-Lg f1-8 concentration on hydrogel formation by a peptide fraction from the tryptic hydrolysis of a WPI. In addition, the impact of β-Lg f15-20 and β-Lg f41-60 peptides on the β-Lg f1-8 self-assembling was determined. Hydrogel formation by whey protein hydrolysates involved a balance between hydrogen bonds and hydrophobic and electrostatic interactions. The presence of the β-Lg f1-8 peptide initiated gelation by increasing the nanofiber density. Interactions between the β-Lg f15-20 and β-Lg f41-60 peptides and β-Lg f1-8 had a negative impact on β-Lg f1-8 self-assembling. Thanks to the results generated, a mechanism for the peptide fractions gelation was proposed. The third objective was to assess the ability of the whey peptide hydrogel to trap curcumin, widely used as a model hydrophobic bioactive compound, and to protect it from gastro-intestinal digestion in a static in vitro digestion system. The results obtained were compared with those obtained for a whey protein isolate gel. A curcumin entrapment efficiency of 91.0% was obtained in the peptide hydrogel versus 99.9% for the WPI gel. At the end of the intestinal digestion, curcumin retention was 98% in the peptide hydrogel, compared to 90% for the whey protein gel. In contrast to the whey protein gel, the preservation of the nanofiber network, and thus of hydrophobic peptide-curcumin interactions during intestinal digestion, could explain this lower curcumin release. The works carried out in this thesis showed that hydrogel formation occurred with peptide fractions obtained during the purification steps of β-Lg f1-8. Furthermore, understanding of the mechanisms involved in hydrogel formation by peptide fractions derived from hydrolysis of a WPI has been significantly improved to propose a potential application of these peptide fractions as curcumin trapping systems. Finally, this study has improved our understanding regarding the curcumin release from β-lactoglobulin. Consequently, this findings represent a relevant contribution to the development of nanostructures derived from natural peptides for bioactive compounds delivery systems.

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.

La résistance antimicrobienne est un problème de santé publique de plus en plus inquiétant. En effet, si ce problème n'est pas contrôlé dès maintenant, dans les prochaines années, nous pourrions arriver dans une ère post-antibiotique où de simples infections pourraient recommencer à tuer. Afin d'éviter de tels enjeux, il est primordial que de nouveaux antibiotiques soient développés pour remplacer les médicaments contre lesquels les bactéries se sont adaptées. De toutes nouvelles classes de médicaments seraient nécessaires et l'une d'entre elles est la classe des peptides antimicrobiens. Ces segments protéiques sont retrouvés dans une impressionnante variété d'organismes et sont utilisés comme première ligne de défense contre les infections bactériennes. Le fonctionnement de ces molécules n'est pas entièrement compris, mais il est présumé qu'elles créent des pores dans les membranes bactériennes, causant ainsi la mort des cellules attaquées. Ces molécules ont un énorme potentiel, mais de nombreux problèmes empêchent leur utilisation clinique. Dans le laboratoire du Professeur Voyer, un peptide modèle, analogue des peptides antimicrobiens, a été synthétisé. Ce peptide composé de 10 leucines et de quatre phénylalanines modifiées par des éthers-couronnes a été modifié de façon systématique pour tenter de comprendre les déterminants de l'activité et de la sélectivité des peptides antimicrobiens. Dans ce mémoire, la synthèse et la caractérisation des analogues dans lesquels trois leucines ont été substituées par des acides aminés cationiques seront discutées. Ces peptides ont été caractérisés par des études biophysiques comme le dichroïsme circulaire, l'infrarouge à transformée de Fourier et le relargage de la calcéine par fluorescence. De plus, des tests d'activité biologique comme l'activité antimicrobienne et l'activité hémolytique ont aussi été réalisés et sont présentés dans le présent mémoire.

Les peptides constituent une famille de biomolécules dont l'utilisation dans différents domaines thérapeutiques (cancer, diabète, sida) s'est fortement développée ces dernières années. Le défi pour les chimistes consiste à y accéder grâce à de nouvelles méthodes fiables et efficaces. La première partie de notre travail a d'abord été orientée vers le développement deux méthodes de ligations non natives efficaces et complémentaires de celles existant. La première méthode, appelée ligation thiocarbamate, permet d'obtenir des peptides alkylthiocarbamate avec de très bons rendements, alors que la seconde, appelée ligation azaGly, aboutit à la formation d'un azaGlypeptide. La seconde partie de cette thèse traite de la conception et synthèse de nouveaux peptides susceptibles d'inhiber la signalisation HGF/SF-MET. Le récepteur à activité tyrosine kinase MET et son ligand, l'HGF/SF (Hepatocyte Growth Factor/Scattor Factor), sont des cibles de choix pour une thérapie anti-cancéreuse. La ligation thiocarbamate, précédemment décrite, et la ligation thioéther plus classique ont été utilisées pour préparer une chimiothèque de peptides sulfonatés d'inhiber cette signalisation de façon extracellulaire. La capacité de liaison des composés de la chimiothèque avec le domaine extracellulaire de MET a été évaluée grâce à la technologie biopuces. L'activité biologique (tests MTT, d'activité kinase) des meilleurs produits a été ensuite évaluée.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la valorisation des co-produits issus des industries de transformation et de conserve de thon. Il porte sur la mise en oeuvre de l'hydrolyse enzymatique et des procédés de séparation membranaires en vue d'obtenir des composés d'intérêt comme les peptides et les acides aminés. Les techniques utilisées dans ce travail font partie des « technologie propre », visant une dépense énergétique et un investissement modérés. L'hydrolyse enzymatique a été menée pour identifier l'efficacité des enzymes sur la matrice afin de déterminer les conditions optimales d'hydrolyse en utilisant la méthodologie des plans d'expériences avec pour objectif l'enrichissement de la phase soluble en peptides de petite taille dotés d'activités biologiques intéressantes. Le fractionnement par la taille par ultrafiltration et Nanofiltration a été utilisé comme un procédé pour agir sur la distribution de la taille moléculaire de la population peptidique et sur les propriétés d'hydrolysat produit. Tout d'abord, un fractionnement à petite échelle a été réalisé avec des membranes de différents seuils de coupure et de différentes natures (organique et inorganique) afin de sélectionner la meilleure membrane répondant à notre objectif.Ensuite une étude d'optimisation des conditions opératoire a été réalisée pour les deux étapes de fractionnement UF et NF de manière à déterminer les meilleures conditions séparatives en utilisant un hydrolysat commercial. La validation du procédé de fractionnement en utilisant l'hydrolysat des co-produits de thon a été effectuée. Durant cette étude, différents modes de fractionnement utilisant différentes combinaisons d'UF et NFont été testés pour déterminer le meilleur procédé permettant la récupération du maximum de fractions peptidiques intéressantes. L'originalité de ce travail de thèse réside d'une part, dans l'enrichissement de l'hydrolysat des co-produit de thon en composés valorisables comme les acides aminés essentiels ainsi que les peptides dotés de valeur ajoutée et d'autre part, la mise en place d'un procédé de fractionnement pour la récupération des différentes fractions afin de mettre en évidence la conception d'un bioréacteurs enzymatique couplé à la technique membranaire. / This work is performed in the framework of up-grading of tuna by-products generated from processing and conditioning industries. The enzymatic hydrolysis combined with membrane separation processes in order to obtain the fraction of interest peptides and amino acids was studied. The optimal conditions during enzymatic hydrolysis were determined using the methodology of design of experiments in order to enrich the soluble phase in small peptides with interesting biological activities. The fractionation by Ultrafiltration and Nanofiltration following a suitable combination was studied. For this, firstly, a small-scale fractionation was performed with membranes of different cut-off and different natures (organic and inorganic) to select the best membrane processes combination and to optimize the used conditions. Then, a validation study of the fractionation using the hydrolysate of tuna by-products produced during was performed. In this study, different modes of fractionation combination of concentration and diafiltration steps were tested to determine the best method for the recovery of large quantities of interesting peptide fractions. The originality of this PhD work is the enrichment of the tuna by-products hydrolysate with valuable compounds such as essential amino acids and peptides with a high biological activity.