Résumé Dans ce travail, nous décrivons l’étude du comportement d’oxydo-2,3 polyènes, analogue de l’oxydo-2,3 squalène, modifiés au niveau de la double liaison D18-19 vis-à-vis de l’oxydo-2,3 squalène stérolcyclase du foie de porc. Ce travail a nécessité la synthèse de ces oxydo-2,3 polyènes, leur mise en réaction avec la stérolcyclase du foie de porc, la séparation et l’identification des produits de réaction et le cas échéant, leurs purifications afin d’en déterminer leurs structures. Nous avons pu préciser les limites d’acceptation et de tolérance de la cyclase du foie de porc vis-à-vis d’oxydo-2,3 polyènes modifiés. En effet, alors que l’enzyme est inerte vis-à-vis de l’oxydo-2,3 polyène comportant deux chaînes n-propyles sur le carbone C-19 (substrat retrouvé inchangé après réaction prolongée avec l’enzyme), son homologue possédant une entité alkylidène cyclohexane est biotransformé essentiellement en un dérivé tétracyclique de type lanostérol. Ainsi, l’incorporation du carbone C-19 dans une unité cyclique à six chaînons diminue l’encombrement stérique et restaure ainsi la capacité de la cyclase à transformer ce polyène. Nous avons en outre montré pour la première fois que la biocyclisation d’un oxydo-2,3 polyène en dérivé de type lanostérol n’est pas stéréospécifique à l’inverse des précédents travaux du laboratoire. En effet, l’oxydo-2,3 polyène de stéréochimie Z, possédant sur le carbone C-19 une entité éthyle et une entité n-propyle, est transformé en deux dérivés tétracycliques 20 S et 20 R dans un rapport 79/21. Les structures de ces deux composés ont été établies par une étude spectroscopique et par comparaison de leurs caractéristiques spectroscopiques avec celles d’échantillons authentiques. Ces derniers ont été synthétisés selon une stratégie impliquant la dégradation de la chaîne latérale du lanostérol suivie de la reconstruction des chaînes alkyles adéquates. Abstract In this work, we describe the study of the behaviour of several 2,3-oxidopolyenes analogs of 2,3-oxidosqualene modified at the 18-19 double bond with the 2,3-oxidosqualene sterolcyclase of pig liver. This work has required the synthesis of these 2,3-oxidopolyenes, their reaction with the sterolcyclase of pig liver, the separation and identification of the reaction products and if necessary their purifications to establish their structures. We could specify the limits of acceptance and tolerance of the pig liver’s cyclase towards the modified 2,3-oxidopolyenes. Indeed, whereas the 2,3-oxidopolyene bearing two n-propyl chains on the C-19 carbon is inert to the enzyme (unchanged substrate recovered after prolonged time in the presence of the enzyme), its counterpart having an alkylidene cyclohexane moiety is mainly biotransformed in a tetracyclic lanosterol-type derivative. Thus, the incorporation of the C-19 carbon in a cyclic six-membered unit, decreases the steric demand and restores the capacity of the cyclase to transform this polyene. Moreover, we also showed for the first time that the biocyclisation of a 2,3-oxidopolyene in lanosterol-type derivative is not stereospecific. Indeed, the 2,3-oxidopolyene with the Z stereochemistry bearing on the C-19 carbon an ethyl and a n-propyl moiety is transformed into two tetracyclic derivatives (20S, 20R) in a 79/21 ratio. Their structures were established by a spectroscopic study and by comparison of their spectroscopic characteristics with those of authentic samples. The latter were synthesized according to a strategy implying the lanosterol side-chain degradation followed by the rebuilding of the adequate alkyl chains.

La compartimentation est un aspect fondamental dans la compréhension de l’apparition de la vie sur terre mais aussi dans l’élaboration de cellules minimales. Les coacervats sont capables de séquestrer de grandes quantités de molécules par diffusion depuis le milieu extérieur mais ne permettent pas d’encapsuler ces molécules à cause de l’absence de barrière physique entre le milieu intérieur et extérieur. Les vésicules quant à elles, ne permettent pas de séquestrer de grandes quantités de molécules à cause de la bicouche membranaire qui empêche la diffusion des molécules depuis le milieu extérieur. Nous avons développé une nouvelle méthode pour encapsuler des biomolécules basées sur une transition de coacervats à vésicules. Notre système basé sur des acides gras saturés à longues chaînes, peut former des coacervats pour séquestrer des biomolécules puis des vésicules en diminuant le pH pour encapsuler les molécules préalablement séquestrées. Les résultats montrent des taux d’encapsulation supérieurs à ceux obtenus par les méthodes d’encapsulation basées sur l’hydratation de films lipidiques. L’encapsulation d’enzymes ainsi que des substrats de la réaction dans les vésicules ont permis de montrer l’accomplissement de réactions enzymatiques dans ces compartiments de manière beaucoup plus rapide qu’en milieu dilué permettant de générer un bioréacteur efficace. La synthèse de protéines ainsi que l’accomplissement de voies métaboliques n’ont pas été clairement mises en évidence dans les vésicules et constituent un élément décisif dans l’élaboration d’un nouveau modèle de cellule minimale. / Compartmentalization is of importance for our understanding of the emergence of life on earth but also for the development and design of minimal cells. Coacervation phenomenon allows spontaneous sequestration by molecular diffusion from aqueous medium but do not allow encapsulation of molecule inside. On the contrary, vesicular systems do not allow spontaneous encapsulation of molecules inside. Here we introduce a model built from saturated long chain fatty acids. This system can form both membranous vesicles and membrane free coacervated droplets that result from clouding by decreasing ph. We have shown that a large amount of proteins is encapsulated into vesicles after pre-crowding into coacervated. Encapsulation of enzyme in vesicles allow to increase the reaction rate compared to the reaction rate in diluted medium. Synthesis of proteins by cell-free system and metabolic reactions with proteins of mollicutes have not clearly been shown but they represent an essential element in the development of a minimal cell.

La bioluminescence est un processus complexe dans lequel la réaction chimique d'un substrat, catalysée par une protéine, entraîne l'apparition d'une émission de lumière dans le spectre visible. Dans le cas des lucioles, un insecte émettant dans le domaine du jaune-vert, le substrat se nomme luciférine et la protéine luciférase. Cependant, la taille et la complexité de ce système chimique limite sa compréhension, notamment celle du mécanisme réactionnel.L'apport de la chimie théorique dans ce domaine est essentiel et a prouvé son utilité dans de nombreux cas. L'utilisation de la méthode QM/MM, méthode hybride couplant la mécanique quantique et la mécanique moléculaire permet de modéliser et d'étudier ces systèmes biologiques.Cette thèse se focalise sur deux approches différentes de l'étude de la bioluminescence chez les lucioles. La première consiste à étudier l'effet de certaines modifications chimiques sur la couleur de la bioluminescence. On s'intéresse plus particulièrement à un analogue de la luciférine et à certaines luciférases issues d'autres systèmes bioluminescents. Par cette étude on cherche à rationaliser et à prédire l'effet ainsi que l’impact de ces changements sur l’émission. Le deuxième sujet explore deux étapes du mécanisme réactionnel de la bioluminescence: d'une part, la coordination du dioxygène sur un intermédiaire de la réaction, une étape encore non étudiée et d'autre part la réaction de tautomérisation dans l'état excité et au sein de la protéine entre deux formes émissives possibles de la luciférine / The bioluminescence is a complex process that involves the reaction of a substrate, catalysed by an enzyme that sheds light in the visible spectra. In fireflies, the light emitted has a yellow-green tone thanks to the interaction between the substrate luciferin and the protein luciferase. However the size and the complexity of the system prevent its comprehension especially when dealing with the reaction mechanism.The use of computational chemistry is key to understand and improve the comprehension of the bioluminescence. The hybrid QM/MM method that combines quantum mechanics with molecular mechanics is a great tool to model and study bioluminescent systems.This thesis deals with two different approaches of the bioluminescence in fireflies. The first one is related to the study of chemical modifications that tune the emission colour. We will discuss about one analogue of the luciferin and on new luciferases from others bioluminescent species. The goals of this study are to rationalise and predict both the effect and the impact of these modifications on the emission. The second subject deals with two different steps of the bioluminescent mechanism. The first one discusses the binding of the dioxygen to the bioluminescent intermediate, which was so far unstudied and the second one about the tautomerization in the excited state and in the protein of two possible emissive forms of the luciferin

Avec l'avènement des BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems), ce sont toutes les pratiques médicales, biologiques, environnementales et agro-alimentaires qui entament une nouvelle ère. Les enjeux scientifique et industriel se rejoignent dans la miniaturisation des systèmes de détection, l'amélioration de leurs sensibilités et la simplification de leurs procédés de fabrication. Cette thèse hautement interdisciplinaire s'inscrit dans le cadre de ces enjeux. Elle expose la fabrication, la bio-fonctionnalisation et l'application d'un BioMEMS pour l'analyse de réactions enzymatiques en temps réel et à l'échelle micrométrique. Deux choix stratégiques ont été adoptés pour ce travail: le premier concerne l'utilisation de la technologie des plasmas froids ou polymérisation plasma pour la fonctionnalisation de surface à travers le dépôt de films polymères d'allylamine. Ce dépôt a permis ultérieurement l'immobilisation covalente de la trypsine (enzyme modèle protéolytique) au sein du BioMEMS. Cette technologie a été également utilisée pour développer une méthode simple de microfabrication des circuits microfluidiques compatible avec une production à grande échelle. Le second choix concerne l'utilisation de ce bioMEMS autour d'une transduction TeraHertz (THz) mise au point au sein de l'équipe. La spectroscopie THz vise à détecter les événements moléculaires à l'échelle de la picoseconde, sans marqueur et d'une manière non-invasive, en sondant directement les liaisons chimiques de faible énergie. Au cours de ce travail, nous avons donc développé un procédé de fonctionnalisation de surfaces par des amines, optimisé une méthode de greffage des enzymes, et étudié l'activité de la trypsine immobilisée. Nous avons ensuite intégré ces étapes dans le procédé de microfabrication du BioMEMS. Les mesures réalisées dans le domaine sub-THz (0,06-0,11 THz) sur une réaction de biocatalyse confirment la faisabilité d'une telle approche comme méthode analytique en biologie. Les résultats des différentes études montrent également que le mariage des plasmas froids avec les méthodes lithographiques représente une voie efficace, rapide et très compétitive pour le transfert de la technologie des BioMEMS à l'échelle industrielle.

Les azacycles tels que les morpholines ou les pyrrolidines, sont très répandus dans le domaine de l’organocatalyse et de la chimie médicinale. Cette thèse traitera d’analogues contraints de ces azacycles, qui peuvent moduler de par leurs structures, les propriétés de certains médicaments ou la sélectivité de certaines réactions. Le cas de l’halopéridol, qui est connu pour son activité sur les récepteurs dopaminergiques D2 et D4, est au centre de la première partie de cette thèse, dans laquelle de nouveaux analogues contraints de type 2-oxa-5-azabicyclo[2.2.2]octane ont été développés pour pallier ses problèmes de stabilité métabolique. Dans une seconde partie, la synthèse de deux nouvelles chimères morpholine-proline pontées est rapportée. Leurs structures rigides et conformationnellement verrouillées permettent aux doublets d’électrons non liants sur les atomes d'azote et d'oxygène d’être respectivement orientés dans des directions « Est-Ouest » et « Nord-Est » spatialement différentes. En combinaison avec la présence d'un acide carboxylique, les propriétés électroniques de ces composés peuvent être utiles dans le contexte de la conception peptidomimétique de composés biologiquement pertinents. Des estimations quantitatives de la basicité des atomes d'azote ont été obtenues en utilisant une analyse DFT conceptuelle. Dans la troisième partie de cette thèse, la synthèse de nouvelles pyrrolidines oxabicycliques sera développée. Les cyclopentan[c]pyrroles sont très répandus dans la littérature, et connus pour leurs propriétés analgésiques. Des dérivés fonctionnalisés en positions 4 et 5, synthétisés par Servier, ont notamment présenté de bonnes activités en tant que ligands nicotiniques 7, mais aussi des problèmes d’inhibition de hERG. Afin d’obtenir des composés moins lipophiles et donc de pallier les problèmes d’inhibition hERG, de nouveaux analogues oxygénés de type furo[2,3-c]pyrroles ont été développés par différentes voies de synthèse. Ces nouveaux composés pourront notamment être obtenus sous formes énantiomériquement enrichies, grâce à une étape clé de résolution enzymatique. La proline a été largement utilisée ces dernières années comme organocatalyseur au sein d’importantes transformations asymétriques comme les aldolisations ou les additions de Michael. Cependant, malgré le succès de ce motif, plusieurs de ses dérivés ont été rapportés dans la littérature. C’est notamment le cas des 4,5-méthanoprolines qui furent rapportées pour la première fois par Hanessian en 1997, dont l’efficacité en tant qu’organocatalyseur pour la réaction de Hajos-Parrish ainsi que plusieurs autres types de réaction fut par la suite établie. Les dernières parties de cette thèse viennent compléter ces études. La synthèse de nouvelles 4,5-ethanoprolines a été développée, ainsi que leurs utilisations comme catalyseur lors de réactions de Hajos-Parrish et d’addition catalytique asymétrique de nitroalcanes sur des énones cycliques. Une étude DFT a été effectuée afin d’expliquer l’inversion de sélectivité observée pour ces nouveaux catalyseurs lors des réactions de Hajos-Parrish, le mécanisme de formation des énamines réactives a aussi été investigué. / Azacycles such as morpholines and pyrrolidines, are very widespread in chemistry, especially in the fields of organocatalysis and medicinal chemistry. This thesis will deal with constrained analogues of those azacycles, which, depending on their structures, can modulate the properties of certain drugs or the selectivity of certain reactions. The case of haloperidol, which is known for its activity on the dopamine D2 and D4 receptors, is at the center of the first part of this thesis, in which new constrained analogs of the 2-oxa-5-azabicyclo type [2.2.2] octane have been developed to overcome its metabolic stability problems. In a second part, the synthesis of two new bridged morpholine-proline chimeras are reported. Their rigid structures allow the lone pairs on the nitrogen and oxygen atoms to be oriented in spatially different "East-West" and "North-East" directions, respectively. In combination with the presence of a carboxylic acid, the electronic properties of these compounds could be useful in the context of the design of biologically relevant peptidomimetics. Quantitative estimations of the basicity of the nitrogen atoms were obtained using DFT analysis. In the third part of this thesis, the synthesis of new oxabicyclic pyrrolidines is described. Cyclopentan[c]pyrroles are widely encountered and known for their analgesic properties. The Servier laboratories have synthesized derivatives with substituents at positions 4 and 5, exhibiting good activities as 7 nicotinic ligands, but problems of hERG inhibition. In order to obtain less lipophilic compounds and therefore overcome the problems of hERG inhibition, new oxygenated analogs of the furo[2,3-c]pyrrole type have been developed by different synthetic routes. These new compounds were obtained in enantiomerically enriched forms, using enzymatic resolution. Proline has been widely used in recent years as an organocatalyst in asymmetric transformations such as aldolizations or Michael additions The success of this motif, has inspired synthesis of derivatives, such as 4,5-methanoprolines, which were first reported by Hanessian in 1997, and shown to be effective as organocatalysts in the Hajos-Parrish and other reactions. The last parts of this thesis develop further these studies by the synthesis of new 4,5-ethanoprolines which act as a catalysts in the Hajos-Parrish reaction and the asymmetric catalytic addition of nitroalkanes to cyclic enones. A DFT study was carried out to explain the reversal of selectivity observed for the new catalysts in Hajos-Parrish reaction and to investigate formation of a reactive enamine in the mechanism.