Les molécules marquées aux isotopes stables, dont on peut assurer la traçabilité biologique grâce aux progrès récents des techniques analytiques, apportent de nouveaux moyens d’investigation du métabolisme. De nouveaux tests de diagnostics cliniques non invasifs sont, à ce jour, de pratique courante (ex. breath test à l’urée 13C). L’intérêt majeur des isotopes stables est évidemment leur innocuité vis-à-vis de l’organisme humain, contrairement aux produits radioactifs. Pour des raisons éthiques bien compréhensibles, l’usage de ces derniers est actuellement proscrit dans les essais in vivo chez l’homme ; dès lors, le développement de méthodes alternatives d’investigations métaboliques ou de diagnostics s’est révélé pertinent. L’objectif principal de notre étude est la mise au point d’un nouvel outil de suivi du métabolisme thyroïdien basé sur la double dilution de marqueurs isotopiques avec l’emploi de molécules marquées régio-sélectivement au carbone 13 (l’une est la sonde métabolique, la seconde le standard de quantification absolue). Les étapes développées sont les suivantes : 1.Biosynthèse du précurseur : la L-tyrosine contenant de 1 à 9 carbone 13 ; 2.Synthèse des hormones thyroïdiennes servant de traceurs biologiques ou de standards internes d’analyse (la thyroxine : 13C9 et 13C6-T4 ; la 3,3’,5-triiodothyronine : 13C9-T3) : optimisation de la voie de synthèse de façon à minimiser les pertes en réactifs marqués ; 3.Ingestion ou injection du traceur (13C6-T4) par l’animal ou par l’homme et collecte d’échantillons de plasma sur une période de temps donnée ; 4.Ajout du standard interne au plasma (13C9-T4 ou 13C9-T3) ; 5.Extraction par solvants, purification et dérivation des hormones thyroïdiennes (endogène, exogène et standard) du plasma ; 6.Analyse et quantification par chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (par suivi des ions spécifiques de chaque entité moléculaire). L’optimisation instrumentale du protocole analytique GC-MS - à savoir la séparation chromatographique et la gestion des ions de masse en mode SIR - a été maîtrisée pour l’analyse de traces de T3 et T4 ; les limites de détection actuelles sont de l’ordre de 20 pg pour chacune des hormones. Une mise en œuvre de tests in vivo de 13C9-T4 comme traceur métabolique a été réalisée sur animaux sous contrôle vétérinaire avec la collaboration du Département de Biochimie Clinique de la « Royal Infirmary » d’Edinbourg. Ils nous ont permis de démontrer la faisabilité de la méthodologie (incorporation de la sonde et son suivi temporel) et la possibilité d’utiliser ces traceurs comme sondes chez l’homme. The principal objective of this thesis is the development of a new tool for the study of the thyroid metabolism based on double isotopic dilution technique with the use of two isotopomers of the same hormone enriched with distinct carbon 13 contents (one as metabolic tracer, the second as internal standard). The successive stages of the methodology are described below: 1.Biosynthesis of the starting material (L-tyrosine) enriched with 1 to 9 carbon 13; 2.Optimized synthesis of the thyroid hormones being used as biological tracers or analytical internal standards (thyroxine : 13C9 and 13C6-T4; 3,3',5-triiodothyronine : 13C9-T3); 3.Incorporation of the tracer (13C6-T4) by the patient and collect of samples of plasma over a given period of time; 4.Internal standard addition to plasma (13C9-T4 or 13C9-T3); 5.Solvent extraction, purification of the thyroid hormones (endogenous, tracer and standard) of the plasma; and derivatization of the thyroid hormones; 6.Analysis and quantification by gas chromatography coupled with mass spectrometry (by follow-up of the specific ions of each isotopomer), monitoring of (m/z) values 970/979 and 976/979 for thyroxine. The instrumental optimization of GC-MS analytical protocol - namely chromatographic separation and management of the ions of mass in SIR mode - was worked out for the analysis of traces of T3 and T4. The limit of detection is 20 pg for each molecule. A first implementation in in vivo tests of 13C9-T4 as a metabolic tracer was carried out under veterinary control on cats and rabbits thanks to the collaboration of the Clinical Department of Biochemistry of Royal Infirmary of Edinburgh. They enabled us to prove the feasibility of the methodology (incorporation of the probe and its temporal follow-up) and the possibility of using these tracers as probes for human beings.

Nos travaux ont porté sur la mise au point de nouvelles stratégies de synthèse de la nicotianamine (molécule naturelle ubiquitaire chez les plantes et impliquée dans le transport du fer in planta) qui ont été appliquées à la préparation de nouveaux analogues naturels et non-naturels inédits. Les propriétés chélatrices d'un de ces analogues naturels, la thermonicotianamine, ont été mises en évidence par spectrométrie de masse.Ce manuscrit est organisé en quatre chapitres : la première partie présente un point bibliographique sur le rôle central de la nicotianamine dans l'homéostasie du fer chez la plante. Puis, nous avons décrits, après un aperçu de l'état de l'art sur les synthèses de la nicotianamine et de ses analogues naturels et non-naturels, notre nouvelle stratégie de synthèse de la basée sur la réaction de N-alkylation. Afin de répondre à un besoin de nouvelles molécules et de réduire leur temps de fabrication nous avons développé la première synthèse de la NA et de ses analogues sur support. Enfin, après une vue de l'état de l'art sur les méthodes d'analyse des phytosidérophores et de leurs complexes avec les métaux, les propriétés chélatrices de la tNA avec les métaux ont été étudiées par spectrométrie de masse. / Our work focused on developing new strategies for synthesis of nicotianamine (a natural molecule ubiquitous in plants and involved in iron transport in planta) which have been applied to the preparation of new natural and unnatural analogues. The chelating properties of a natural analogue, the thermonicotianamine, were investigated by mass spectrometry.This manuscript is organized into four chapters: the first part presents a literature review on the central role of nicotianamine in iron homeostasis in plants.After an overview of the state of the art in the synthesis of nicotianamine and its natural and non-natural analogues, we described our new synthetic strategy based on the N-alkylation reaction.To meet the need for new molecules and reduce manufacturing time we developed the first synthesis of nicotianamine and its analogues on solid phase.Finally, after a view of the state of the art on methods for analyzing phytosiderophores and their complexes with metal, chelating properties of thermonicotianamine with metals have been studied by mass spectrometry.

Les protéines jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement des organismes vivants et sont au cœur de nombreux mécanismes biologiques. La synthèse totale chimique des protéines permet un contrôle précis de leur composition et constitue donc un outil puissant d’investigation des processus biologiques impliquant ces molécules. La synthèse peptidique en phase solide (SPPS) décrite par B. Merrifield en 1963 a révolutionné le domaine. Quelques années plus tard, les méthodes de ligations chimiques et le développement de stratégies d’assemblage de segments peptidiques ont permis la synthèse de nombreuses protéines par voie chimique. Cependant, la difficulté des chimistes à produire de grandes protéines traduit l’absence de méthodes robustes pour la synthèse en routine de tels macromolécules.De nouvelles méthodologies de synthèse totale basées sur la Native Chemical Ligation et les ligations SEA et SeEA ont été développées dans le cadre de cette thèse. En particulier, l’utilisation de sélénoesters latents ou formés in situ a été étudiée pour faciliter l’accès à des protéines de grande taille.La première partie de cette thèse porte sur le potentiel du groupement bis(2-sélényléthyl)amido SeEA, à savoir l’analogue sélénié du groupement bis(2-sulfanyléthyl)amido SEA, pour accélérer la formation de liaisons peptidiques par formation d’intermédiaires sélénoesters. Cette méthode a permis la synthèse de la protéine NK1 (variant naturel du facteur de croissance des hépatocytes HGF) constituée de 180 acides aminés.La seconde partie décrit la formation in situ de sélénoesters à partir de segments peptidiques SEA grâce à la conception de nouveaux catalyseurs à base de sélénium. Ces catalyseurs ont été utilisés pour accélérer deux réactions essentielles dans les procédés de synthèse totale développés dans cette thèse, à savoir la ligation SEA ainsi que la synthèse de peptides thioesters à partir de peptides SEA. L’efficacité de l’un de ces catalyseurs a été illustrée par la synthèse totale de la granulysine.La dernière partie de cette thèse décrit une stratégie d’assemblage séquentielle de segments peptidiques en phase solide, qui constitue une alternative aux méthodes d’assemblage en phase liquide. Ce procédé a été automatisé et présente un grand potentiel pour la synthèse automatisée de protéines par voie chimique. / Proteins play a crucial role in living organisms and in almost all biological mechanisms. The total chemical synthesis of proteins allows an atom by atom control of their structure and thus constitutes a powerful tool of investigation of biological processes involving these molecules. The solid phase peptide synthesis (SPPS) introduced by B. Merrifield in 1963 has revolutionized the field. Few years later, the discovery of chemical ligation methods and the development of peptide segment assembling strategies has been applied to the synthesis of many proteins. However, the difficulty in accessing large proteins reflects the absence of robust methods for the routine synthesis of such macromolecules.Novel synthetic methods based on Native Chemical Ligation and SEA/SeEA ligations have been developed in the frame of this thesis. In particular, I explored the interest of latent or in situ formed selenesters for facilitating the access to large proteins.The first part of this thesis describes the chemical properties of the bis(2-selenylethyl)amido (SeEA) group, i.e. the selenium analog of the bis(2-sulfanylethyl)amido (SEA) group, and its usefulness for accelerating peptide bond formation. This method was used for the synthesis of the NK1 protein (natural variant of the hepatocyte growth factor, HGF) constituted of 180 amino acids.The second part describes the in situ formation of selenesters through the design of novel selenium catalysts. These catalysts were used to accelerate the SEA ligation as well as the synthesis of thioester peptides from SEA peptides. Both reactions are central in the total synthesis processes developed in this thesis. Their usefulness is illustrated by the total synthesis of granulysin.The last part describes a method for the sequential ligation of peptide segments on a water compatible solid support which is complementary to the solution methods discussed above. This process has been automated and has a great potential for the automated chemical synthesis of proteins.

Les oligopyridine-dicarboxamides et les oligoquinoline-carboxamides sont des oligomères synthétiques capables d’adopter des conformations hélicoïdales stables et bien définies. Les premiers sont comparables à des ressorts moléculaires qui peuvent s’étirer puis s’autoassembler pour former des doubles hélices artificielles. L’étude structurale d’oligopyridines de différentes tailles par diffraction des rayons X et RMN a permis d’éclaircir les principes de l’hybridation en double hélice. Par exemple, nous constatons que la stabilité du duplex est d’autant plus grande que l’oligomère est long mais la cinétique de l’hybridation décroit avec la taille des hélices. Ces propriétés sont modulables en fonction de divers paramètres tels que le solvant ou les substituants des pyridines. Les seconds forment de simples hélices moléculaires stables dans les solvants organiques mais aussi dans l’eau. Nous avons développé leur synthèse sur support solide afin de disposer de séquences variées, à l’image des alpha-peptides. Des études par RMN suggèrent que l’introduction d’unités aminométhylpyridines au sein d’un oligoquinoline hydrosoluble apporte de la flexibilité sans perturber sa structure hélicoïdale. Cela témoigne de la stabilité de ces structures secondaires dans les solvants protiques. Par ailleurs, certains de ces peptidomimes s’avèrent capables de reconnaitre et stabiliser des motifs structuraux particuliers de l’ADN : les G-quadruplex. Etant donné que ces architectures se forment à des endroits clés du génome impliqués dans des cancers, ces hélices moléculaires font figure de potentiels agents antitumoraux d’un nouveau genre. / Oligopyridine-dicarboxamides and oligoquinoline-carboxamides are synthetic oligomers able to fold into stable and well defined helical conformations. The first ones are comparable to molecular springs which can extend then associate to form artificial double helices. A structural study of oligopyridines of various sizes by X-ray diffraction and NMR provided a better understanding of the hybridization process. For example, we noticed that the stability of the duplex is all the higher as the oligomer is long but the kinetics of hybridization decrease with length. These properties depend on diverse parameters such as the solvent or the substituants of pyridine rings. The second family forms stable single helices in organic solvents and also in water. We adapted their synthesis on solid support to promote accessibility to a variety of sequences, just like for alphas-peptides. NMR studies suggested that the introduction of aminomethylpyridine units within a hydrophilic oligoquinoline strand brings some flexibility without disrupting its helical structure, showing the high stability of these secondary structures in protic solvents. Besides, some of these peptidomimetics turn out to be capable of recognizing and stabilizing a particular DNA motif: G-quadruplex structure. Given that these architectures form in critical places of the genome involved in cancers, these molecular helices may represent a new class of potential antitumoral agents.

L'objectif de ce travail était de développer de nouvelles voies d'obtention de produits acides potentiellement ligand du zinc dans le cadre d'un projet plus vaste mené au laboratoire sur deux cibles biologiques appartenant à la famille des métalloprotéases à zinc, l'aggrécanase et l'enzyme de conversion de l'angiotensine de type 2.<br />La stratégie chimique utilisée a été la phase solide à l'aide d'une résine chlorure de trityle. La synthèse a été effectuée à partir de dérivés amino-acide protégés par un carbamate de fluorénylméthyle ou d'éthylène-oxy-triméthyle silicium permettant une déprotection en parallèle de la fonction amine une fois la fonction acide fixée à la résine. Nous avons obtenu une chimiothèque de 400 composés. A partir de ces 400 produits un hit a été identifié comme inhibiteur potentiel de l'aggrécanase 2. Des études de relations structures activités d'analogues de ce hit sont actuellement en cours.<br />En parallèle, comme le tétrazole fait partie des fonctions chimiques potentiellement ligand du zinc et est une fonction phare dans le développement d'inhibiteurs du récepteur à l'angiotensine 2 (AT1), nous avons développé une nouvelle technique de greffage de tétrazole sur résine et de synthèse de chimiothèque biphényltétrazole.Ces travaux ont permis la mise au point d'une nouvelle méthode de synthèse de biphényltétrazole en phase homogène au micro-onde et la synthèse innovante de dérivés biphényltétrazole en phase solide exemplifié par la synthèse de l'irbésartan en phase solide.<br />Nous avons ensuite développé des dérivés biphényltétrazole pyrazole. Pour cette famille de molécules, nous avons exploité les études effectuées sur la réaction de Buchwald que nous avons adaptée à nos composés. De plus ces mêmes travaux ont permis la mise au point d'une nouvelle réaction d'obtention de dérivés para-iodophényle pyrazole en une seule étape et qui ouvre une nouvelle voie rétrosynthétique de dérivés phényle pyrazole. Cinq de ces produits ont montré sur activité sur le récepteur AT1.

Le développement d’agents interfaciaux pour des matériaux composites renforcés de fibres est nécessaire afin d’obtenir des matériaux performants notamment pour l’industrie automobile. Le projet se concentre sur la synthèse d’oligomères à séquences contrôlées préparés par synthèse en phase solide par réaction d’amidification et de cycloaddition assistée par le cuivre entre un azoture et un alcyne pour introduire précisément des unités de phénylalanine et des groupes aliphatiques. Ces oligomères ont été testés comme agents interfaciaux pour des matériaux composites à base de polypropylène renforcés de fibres de Kevlar. Leur capacité à s’adsorber sur les fibres a été étudiée de façon qualitative par microscopie électronique à balayage et quantitative par analyse gravimétrique. Des expériences préliminaires sur des fibres de Kevlar traitées avec des oligomères synthétisés dans une matrice de polypropylène ont été réalisées pour estimer leur potentielle utilisation dans des matériaux composites. / The development of interfacial agents for fibre-reinforced composite materials is needed to obtain performant materials especially for the automotive industry. The project focused on the synthesis of sequence-controlled oligomers prepared by solid phase synthesis using amidation and copper-assisted alkyne-azide cycloaddition reactions to introduce precisely phenylalanine and aliphatic building blocks. These oligomers were evaluated as potential interfacial agents for Kevlar fibre-reinforced polypropylene composite materials. Their ability to adsorb on the fibres was investigated qualitatively by scanning electron microscopy and quantitatively by gravimetric analysis. Some preliminary experiments on the Kevlar fibres treated with some of the synthesised oligomers in a polypropylene matrix were conducted to estimate their potential use in composite materials.

Neuf maladies neurodégénératives sont le produit de l’expression de gènes mutés, dans lesquels le codon CAG est répété au-delà d’un seuil pathologique. Ceci produit des protéines mutantes dans lesquelles sont insérés des segments de polyglutamines (polyGln), qui perdent leur activité et acquièrent une nouvelle fonction, ce qui est toxique pour le neurone. Ces altérations sont attribuables aux propriétés particulières de la polyGln. En effet, ces dernières possèdent la capacité de s’assembler pour former des corps d’inclusion intracellulaires. Cette propension à l’agrégation de la polyGln rend difficile l’étude de ces pathologies. C’est ainsi que l’utilisation de peptides peut s’avérer une approche avantageuse. Toutefois, la synthèse de polyGln est associée à de nombreuses délétions et nécessite l’ajout de groupements chargés afin de permettre leur purification. Cependant, ce prérequis donne lieu à des interactions électrostatiques qui biaisent la structure et la cinétique d’agrégation de ces peptides, en plus d’interférer avec l’évaluation d’éventuels agents thérapeutiques. L’objectif du projet est de développer un système permettant l’étude de la polyGln en s’affranchissant des effets de charges. Pour ce faire, deux approches ont été explorées, la première utilise la polyGln non chargée et la seconde utilise une structure polyGln-morpholine ayant des charges labiles en fonction du pH. Ces peptides ont été produits en utilisant une approche linéaire de synthèse peptidique sur support solide avec protection maximale des chaînes latérales. La purification a été effectuée par chromatographie de haute performance en phase inverse en milieu acide. Ces stratégies ont permis de produire des peptides de polyGln de grande pureté avec des rendements acceptables. Une procédure de solubilisation des peptides alliant sonication et lyophilisation a été développée afin d’étudier chacun de ces peptides à l’aide de diverses techniques physicochimiques, telles que la diffusion de la lumière, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, Raman et UV-visible, le dichroïsme circulaire et la microscopie optique polarisée. La polyGln non chargée solubilisée dans le trifluoroéthanol-eau a montré que la taille des particules et la vitesse d’agrégation sont proportionnelles à la fraction volumique en eau. De plus, la structure secondaire en solution est à prédominance alpha et semble être peu sensible à la fraction d’eau jusqu’à un certain seuil (25%) après lequel la structure aléatoire prédomine. L’analyse des agrégats à l’état solide montre des structures hélicoïdales > aléatoires et ont les caractéristiques des fibrilles amyloïdes. Le peptide de polyGln-morpholines a un pKa de 7,3 en milieu aqueux. Il demeure en solution lorsque le pH < pKa et à faible force ionique, alors qu’il s’autoassemble lorsque ces conditions ne sont pas respectées. Ceci suggère que la répulsion électrostatique est responsable de la stabilisation du peptide en solution. La dimension fractale nous indique que le peptide forme des agrégats compacts dont les constituants ont une taille de 2,5 nm, compatibles avec une conformation aléatoire compacte, en coude bêta ou hélicoïdale. Ceci est en accord avec l’étude structurale des peptides en solution qui a montré des espèces aléatoires > bêta > alpha. De plus, en RMN, l’élargissement des signaux du 1Hγ en cours d’agrégation suggère une interaction via les chaînes latérales. Les analyses en phase solide ont plutôt montré une prédominance de structures bêta et alpha. L’inhibition de l’agrégation à pH 8 varie selon rouge de Congo > tréhalose, alors que le peptide liant la polyGln 1 et la thioflavine T ne semble pas avoir d’effet. Ces approches ont donc permis pour la première fois de s’affranchir des effets de charges auparavant inhérents à l’étude de la polyGln en solution et par conséquent d’obtenir des informations inédites quant à la solubilité, la structure et la cinétique d’agrégation. Enfin, le dispositif à charges labiles permet d’évaluer l’efficacité d’éventuels agents thérapeutiques à pH quasi physiologique. / Nine neurodegenerative diseases come from mutated genes expression in which the CAG codon is repeated above a pathological threshold. This is producing mutant proteins, in which are inserted polyglutamine (polyGln) segments, which lose their activity and acquire a new function that is toxic for the neuron. These alterations are related to the peculiar properties of the polyGln. Indeed, these polypeptides have the capacity of autoassemble to form intracellular inclusion bodies. This aggregation tendency of polyGln makes difficult the study of these pathologies. Thus, the use of peptides could constitute an advantageous approach. However, the synthesis of polyGln is associated with numerous deletions and necessitates the addition of charged moieties to achieve purification. Unfortunately, this requirement creates electrostatic interactions that modify the structure and aggregation kinetics of these peptides, in addition to interfering with the evaluation of potential therapeutical agents. The aim of this project is to develop a system to study polyGln without the charge effects. To do so, two approaches were explored, the first used uncharged polyGln and the second used a polyGln-morpholine structure bearing pH-dependent labile charges. These peptides were produced by solid-support synthesis using a linear and maximal protection approach. Purification was performed by reverse phase high-performance liquid chromatography. These strategies allowed the production of peptides of high purity in good yields. A solubilization procedure combining sonication and lyophilization was developed to study each of these peptides by physicochemical techniques such as light scattering, magnetic resonance, Raman and UV-visible spectroscopies, circular dichroism and polarized optical microscopy. The uncharged polyGln solubilized in trifluoroethanol-water showed that particle size and aggregation kinetics are proportional to volumetric water fraction. Furthermore, the secondary structure in solution is alpha-predominant and seems rather insensitive to water fraction up to a threshold (25%) above which random coil structure predominates. The analysis of solid-state aggregates showed that helicoidal structures are more abundant than random structures and have the characteristics of amyloid fibrils. The polyGln-morpholines peptide has a pKa of 7.3 in aqueous media. It is soluble when pH < pKa and at low ionic strength, but it autoassociates when these conditions are not respected. This suggests that electrostatic repulsion is responsible for the stabilization of the peptide in solution. The fractal dimension indicates that the peptide forms compact aggregates whose constituents are 2.5 nm in size, in agreement with compact random coil, beta-hairpin or helicoidal structures. This is in agreement with the results of solution peptide structure studies showing that random coil > beta > alpha. Furthermore, the broadening of 1Hγ NMR signals while the peptide is aggregating suggests an interaction between side-chains. Solid-phase studies showed predominant beta and alpha structures. The aggregation inhibition at pH 8.0 was higher for Congo red than for trehalose, while polyglutamine binding peptide 1 and thioflavine T did not seem to be effective. These approaches permitted for the first time to overcome the charge effects that were previously inherent to polyGln solution studies and to obtain new information about solubility, structure and aggregation kinetics. Finally, the labile charge groups allow the evaluation of the efficiency of potential therapeutic agents at near physiological pH.

Neuf maladies neurodégénératives sont le produit de l’expression de gènes mutés, dans lesquels le codon CAG est répété au-delà d’un seuil pathologique. Ceci produit des protéines mutantes dans lesquelles sont insérés des segments de polyglutamines (polyGln), qui perdent leur activité et acquièrent une nouvelle fonction, ce qui est toxique pour le neurone. Ces altérations sont attribuables aux propriétés particulières de la polyGln. En effet, ces dernières possèdent la capacité de s’assembler pour former des corps d’inclusion intracellulaires. Cette propension à l’agrégation de la polyGln rend difficile l’étude de ces pathologies. C’est ainsi que l’utilisation de peptides peut s’avérer une approche avantageuse. Toutefois, la synthèse de polyGln est associée à de nombreuses délétions et nécessite l’ajout de groupements chargés afin de permettre leur purification. Cependant, ce prérequis donne lieu à des interactions électrostatiques qui biaisent la structure et la cinétique d’agrégation de ces peptides, en plus d’interférer avec l’évaluation d’éventuels agents thérapeutiques. L’objectif du projet est de développer un système permettant l’étude de la polyGln en s’affranchissant des effets de charges. Pour ce faire, deux approches ont été explorées, la première utilise la polyGln non chargée et la seconde utilise une structure polyGln-morpholine ayant des charges labiles en fonction du pH. Ces peptides ont été produits en utilisant une approche linéaire de synthèse peptidique sur support solide avec protection maximale des chaînes latérales. La purification a été effectuée par chromatographie de haute performance en phase inverse en milieu acide. Ces stratégies ont permis de produire des peptides de polyGln de grande pureté avec des rendements acceptables. Une procédure de solubilisation des peptides alliant sonication et lyophilisation a été développée afin d’étudier chacun de ces peptides à l’aide de diverses techniques physicochimiques, telles que la diffusion de la lumière, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, Raman et UV-visible, le dichroïsme circulaire et la microscopie optique polarisée. La polyGln non chargée solubilisée dans le trifluoroéthanol-eau a montré que la taille des particules et la vitesse d’agrégation sont proportionnelles à la fraction volumique en eau. De plus, la structure secondaire en solution est à prédominance alpha et semble être peu sensible à la fraction d’eau jusqu’à un certain seuil (25%) après lequel la structure aléatoire prédomine. L’analyse des agrégats à l’état solide montre des structures hélicoïdales > aléatoires et ont les caractéristiques des fibrilles amyloïdes. Le peptide de polyGln-morpholines a un pKa de 7,3 en milieu aqueux. Il demeure en solution lorsque le pH < pKa et à faible force ionique, alors qu’il s’autoassemble lorsque ces conditions ne sont pas respectées. Ceci suggère que la répulsion électrostatique est responsable de la stabilisation du peptide en solution. La dimension fractale nous indique que le peptide forme des agrégats compacts dont les constituants ont une taille de 2,5 nm, compatibles avec une conformation aléatoire compacte, en coude bêta ou hélicoïdale. Ceci est en accord avec l’étude structurale des peptides en solution qui a montré des espèces aléatoires > bêta > alpha. De plus, en RMN, l’élargissement des signaux du 1Hγ en cours d’agrégation suggère une interaction via les chaînes latérales. Les analyses en phase solide ont plutôt montré une prédominance de structures bêta et alpha. L’inhibition de l’agrégation à pH 8 varie selon rouge de Congo > tréhalose, alors que le peptide liant la polyGln 1 et la thioflavine T ne semble pas avoir d’effet. Ces approches ont donc permis pour la première fois de s’affranchir des effets de charges auparavant inhérents à l’étude de la polyGln en solution et par conséquent d’obtenir des informations inédites quant à la solubilité, la structure et la cinétique d’agrégation. Enfin, le dispositif à charges labiles permet d’évaluer l’efficacité d’éventuels agents thérapeutiques à pH quasi physiologique. / Nine neurodegenerative diseases come from mutated genes expression in which the CAG codon is repeated above a pathological threshold. This is producing mutant proteins, in which are inserted polyglutamine (polyGln) segments, which lose their activity and acquire a new function that is toxic for the neuron. These alterations are related to the peculiar properties of the polyGln. Indeed, these polypeptides have the capacity of autoassemble to form intracellular inclusion bodies. This aggregation tendency of polyGln makes difficult the study of these pathologies. Thus, the use of peptides could constitute an advantageous approach. However, the synthesis of polyGln is associated with numerous deletions and necessitates the addition of charged moieties to achieve purification. Unfortunately, this requirement creates electrostatic interactions that modify the structure and aggregation kinetics of these peptides, in addition to interfering with the evaluation of potential therapeutical agents. The aim of this project is to develop a system to study polyGln without the charge effects. To do so, two approaches were explored, the first used uncharged polyGln and the second used a polyGln-morpholine structure bearing pH-dependent labile charges. These peptides were produced by solid-support synthesis using a linear and maximal protection approach. Purification was performed by reverse phase high-performance liquid chromatography. These strategies allowed the production of peptides of high purity in good yields. A solubilization procedure combining sonication and lyophilization was developed to study each of these peptides by physicochemical techniques such as light scattering, magnetic resonance, Raman and UV-visible spectroscopies, circular dichroism and polarized optical microscopy. The uncharged polyGln solubilized in trifluoroethanol-water showed that particle size and aggregation kinetics are proportional to volumetric water fraction. Furthermore, the secondary structure in solution is alpha-predominant and seems rather insensitive to water fraction up to a threshold (25%) above which random coil structure predominates. The analysis of solid-state aggregates showed that helicoidal structures are more abundant than random structures and have the characteristics of amyloid fibrils. The polyGln-morpholines peptide has a pKa of 7.3 in aqueous media. It is soluble when pH < pKa and at low ionic strength, but it autoassociates when these conditions are not respected. This suggests that electrostatic repulsion is responsible for the stabilization of the peptide in solution. The fractal dimension indicates that the peptide forms compact aggregates whose constituents are 2.5 nm in size, in agreement with compact random coil, beta-hairpin or helicoidal structures. This is in agreement with the results of solution peptide structure studies showing that random coil > beta > alpha. Furthermore, the broadening of 1Hγ NMR signals while the peptide is aggregating suggests an interaction between side-chains. Solid-phase studies showed predominant beta and alpha structures. The aggregation inhibition at pH 8.0 was higher for Congo red than for trehalose, while polyglutamine binding peptide 1 and thioflavine T did not seem to be effective. These approaches permitted for the first time to overcome the charge effects that were previously inherent to polyGln solution studies and to obtain new information about solubility, structure and aggregation kinetics. Finally, the labile charge groups allow the evaluation of the efficiency of potential therapeutic agents at near physiological pH.

Les dendrimères sont très prometteurs du fait de leur structure unique et de leur multivalence. Cependant, leur synthèse souffre de problèmes de défauts de structure et de présence de produits secondaires très similaires. Des approches synthétiques alternatives sont donc fortement désirées. L'objectif de ma thèse consiste à explorer la synthèse sur support solide et l’approche d'autoassemblage pour la préparation de dendrimères.La première partie de ma thèse se concentre sur la synthèse de dendrimères en phase solide. Nous avons tout d'abord développé une méthode de synthèse pour les dendrimères poly(amidoamines) basée sur la chimie des peptides. Nous avons ensuite construit une petite bibliothèque de dendrimères de type triazine en faisant varier la taille et la terminaison des dendrimères pour créer une variété de dendrimères. Nous avons aussi tenté de synthétiser des dendrimères poly(aminoesters) bien que nous n'ayons pu les obtenir du fait du caractère labile de ces dendrimères.La deuxième partie de ma thèse vise à appliquer l’approche d'autoassemblage pour la construction de dendrimères supramoléculaires comme théranostiques combinant l'imagerie et la thérapie. Nous avons synthétisé un petit dendrimère amphiphile portant DOTA pour chélater le Gd (III). Ce dendrimère est capable de s'autoassembler en supramolécule et d’encapsuler l’agent anticancéreux doxorubicine, pour construire des agents théranostiques à base de dendrimères multivalents.L’ensemble de ma thèse se consacre au développement de stratégies en phase solide et de l'autoassemblage pour construire des dendrimères pour les applications dans les domaines biomédicaux et des matériaux. / Dendrimers hold great promise for wide applications thanks to their unique structural architecture and multivalent cooperativity. However, dendrimer synthesis often suffers from structural defects caused by incomplete reactions and difficulties associated with purification. Consequently, alternative synthetic approaches to overcome the limitations of current dendrimer synthesis are in high demand.My first PhD project mainly focuses on establishing novel strategies and methodologies for solid-phase dendrimer synthesis with advantages of convenient complete synthesis and easy purification procedures. We first developed a new and concise solid-phase synthesis of PAMAM dendrimers based on the adoption of peptide synthesis chemistry. We then constructed a small library of triazine dendrimers varying in generations and surface groups with a view to rapidly synthesizing dendrimers with structural diversity. We also strived to synthesize poly(aminoester) dendrimers although we had difficult to get it thorough.My second PhD program aims to apply the self-assembly approach for constructing supramolecular dendrimer theranostics. A small DOTA-conjugated amphiphilic dendrimer with Gd(III)-chelation was synthesized and self-assembled into supramolecular nanomicelles to encapsulate the anticancer drug doxorubicin. The obtained system constitutes a multivalent nanotheranostic to combine imaging purpose with therapeutic utility.In summary, my PhD program mainly contributes to elaborating strategies for dendrimer synthesis using both solid-phase method and self-assembly approach in the view to realizing and broadening their applications in the arenas of biomedical and material sciences.

La chimie des foldamères est un domaine de recherche en pleine expansion où les chimistes explorent la construction d’architectures artificielles variées mimant les structures repliées des biopolymères naturels. Les foldamères d’oligoamides quinoline, constituent une branche importante des foldamères montrant de nombreuses caractéristiques attractives, incluant la stabilité et la prédictibilité de leurs conformations repliées, qui en font de bons candidats pour des applications biologiques. Jusqu’à présent, la plupart des études sur les foldamères d’oligoamides quinolines ont été menées dans des solvants organiques. Cette thèse a pour objectif d’étendre leur portée au milieu aqueux et présente plusieurs méthodologies pour parvenir à leur solubilité, leur repliement, la variation de leurs chaines latérales, leur agrégation et leur capacité à former des cristaux dans l’eau.Tout d’abord, une méthode de synthèse en phase solide a été développée permettant l’accès rapide aux foldamères hybrides α-amino acide/quinoline (X/Q). Leur étude dans l’eau montre que contrairement aux foldamères hybrides de type (XQ)n, ceux de type (XQ2)n sont capables d’adopter une conformation hélicoïdale présentant un alignement des chaines α-amino acides dans l’espace. Ensuite, plusieurs chaines latérales courtes ont été identifiées pour doter les foldamères aromatiques d’une solubilité et d’une capacité à cristalliser dans l’eau. Six oligoamides quinoline ont ainsi été synthétisés pour une étude modèle. Des cristaux ont été obtenus pour toutes les séquences sauf une, présentant une excessive solubilité dans l’eau. Enfin, des efforts ont été faits pour construire des faisceaux d’hélices auto-assemblés dans l’eau à base d’effets hydrophobes et d’interactions électrostatiques. Les études RMN et cristallographiques ont indiqué que les effets hydrophobes étaient plus faibles qu’attendu et ne provoquaient pas d’agrégation forte. / Foldamer chemistry is a rapidly expanding research field where chemists explore the construction of various artificial architectures that mimic the folded structures of biopolymers found in nature. Quinoline oligoamide foldamers, as an important branch of foldamers, have been shown to possess many desirable features, including stability and predictability of their folded conformations, and are promising candidates to achieve biological applications. Up to now, most investigations of quinoline oligoamide foldamers have been carried out in organic solvents. This thesis is aimed to expand their scope in aqueous medium and presents several methodologies to achieve solubility, folding, side-chain variation, aggregation and crystal growth ability in water.First, a solid phase synthesis method was developed to enable the fast access to α-amino acid/quinoline (X/Q) hybrid oligoamide foldamers. The study of these hybrid foldamers in water showed that contrary to (XQ)n-type foldamers the (XQ2)n-type foldamers could adopt aromatic helical conformations with α-amino acid side chains aligned in space. Then, several short side chains were identified to endow aromatic foldamers with both solubility in, and crystal growth ability from water. Six quinoline oligoamides displaying these side chains were synthesized as a case study. Crystals were obtained from aqueous medium in all cases but one, exceedingly soluble in water. At last, efforts were made to construct self-assembled aromatic helix bundles in water based on hydrophobic effects and electrostatic interactions. NMR and crystallographic studies indicated that hydrophobic effects are weaker than expected and not strongly conducive of aggregation.