Paras WANJARI
soutiendra sa thèse
Vendredi 9 décembre 2025 à 13h30
Amphithéâtre Godechot à l’ENSCM
« Self-assembled proton, ion and water channels with photo regulated transmembrane transport properties »
devant le jury composé de :
– M. Mihail BARBOIU, Directeur de Recherche, CNRS, IEM – Directeur de thèse
– Mme. Hennie VALKENIER, Research Associate, FNRS, University libre de Bruxelles – Rapporteur
– M. Guillaume VIVES, Maître de Conférences HDR, CNRS, Sorbonne Université – Rapporteur
– M. Sébastien ULRICH, Charge de Recherche, CNRS, IBMM – Examinateur
– Mme. Niculina HADADE, Professeur, Babes-Bolyai University – Examinateur
Résumé :
Le transport de protons et d’eau à travers les membranes biologiques est fondamental pour l’homéostasie cellulaire, la conversion d’énergie et la régulation des signaux. Inspirée par des systèmes naturels tels que les aquaporines et les canaux à protons, cette thèse présente la conception et le développement de canaux supramoléculaires synthétiques et photo-réactifs, capables de transporter sélectivement protons et molécules d’eau. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans le domaine du transport ionique contrôlé par la lumière, la conduction de protons et d’eau régulée par photoactivation reste encore largement inexplorée. Pour combler cette lacune, ce travail intègre des unités moléculaires photo-commutables avec des architectures à base d’imidazole conductrices de protons afin d’obtenir un transport transmembranaire modulable et contrôlé par la lumière. Trois systèmes moléculaires ont été développés, chacun employant une stratégie distincte pour atteindre un transport sélectif et réversible.
Le chapitre 2 introduit des canaux acylhydrazone–imidazole capables de moduler le transport de protons et d’eau via l’isomérisation photo-induite réversible E–Z. Trois dérivés (C4, C8, C12) s’auto-assemblent en architectures hydrogénées formant des voies sélectives et photo-contrôlées. Les analyses structurales et spectroscopiques confirment une photo-commutation efficace, tandis que les essais fonctionnels démontrent une forte sélectivité protonique, l’exclusion complète des ions et un transport modulable. Des simulations moléculaires révèlent que des clusters d’eau supramoléculaires, stabilisés par les interactions acylhydrazone–imidazole, facilitent un relais proton-eau couple. Il est notable que l’isomère Z présente une activité de transport supérieure à celle de l’isomère E, ce qui est attribué à sa plus grande flexibilité structurale et à son comportement dynamique.
Le chapitre 3 étend cette approche en utilisant un cadre bis(imidazole-amide)-tétrafluoro-azobenzène, où la conversion photoinduite E–Z de l’azobenzène permet une modulation réversible du transport. Le système supporte une conduction efficace et sélective de protons et d’eau tout en excluant les cations et anions alcalins, établissant un contrôle précis piloté par la lumière. L’isomère Z présente systématiquement une activité supérieure, démontrant la capacité des photo-commutateurs à base d’azobenzène à réguler la fonction transmembranaire.
Le chapitre 4 examine des dérivés d’imidazole à base de semicarbazone conçus pour imiter des assemblages de type I-quartet. Deux familles — semicarbazones imidazole-2-yl et imidazole-4-yl — ont été synthétisées pour étudier comment de légères modifications structurelles influencent la sélectivité ionique et le comportement de transport. Les dérivés imidazole-2-yl présentent une forte affinité pour le chlorure et un transport actif dans leur forme Z, tandis que les isomères E restent inactifs. En revanche, les analogues imidazole-4-yl favorisent le transport sélectif de protons et d’eau, avec une supériorité de la forme E sur la forme Z. Ces résultats soulignent comment de petites variations dans la géométrie moléculaire et l’orientation des liaisons hydrogène peuvent influencer de manière drastique l’efficacité et la sélectivité du transport.
Dans l’ensemble, cette thèse établit une stratégie cohérente de conception moléculaire pour le transport de protons et d’eau régulé par la lumière dans des canaux synthétiques. En combinant des motifs de liaisons hydrogène, des unités imidazole conductrices de protons et des liaisons photo-commutables, elle introduit les premiers systèmes modulables qui allient réactivité structurelle et sélectivité fonctionnelle dans le transport transmembranaire de protons et d’eau. Les connaissances acquises enrichissent la compréhension de la conception de canaux supramoléculaires et établissent les bases à propos des matériaux stimuli-réactifs avec des applications potentielles dans les membranes biomimétiques, les photosystèmes artificiels et le transport ionique contrôlé dans les systèmes vivants.
Abstract:
Proton and water transport across biological membranes are fundamental to cellular homeostasis, energy conversion, and signal regulation. Inspired by natural systems such as aquaporins and proton channels, this thesis presents the design and development of synthetic, photoresponsive supramolecular channels capable of selectively transporting protons and water. While significant progress has been made in light-gated ion transport, photo-controlled proton and water conduction remain largely unexplored. Addressing this gap, this work integrates photoswitchable molecular units with proton-conducting imidazole architectures to achieve tunable, light-controlled transmembrane transport. Three molecular systems are developed, each employing a distinct strategy for achieving selective and reversible transport.
Chapter 2 introduces acylhydrazone–imidazole channels that modulate proton and water transport via reversible E–Z photoisomerization. Three derivatives (C4, C8, C12) self-assemble into hydrogen-bonded architectures forming selective, light-gated pathways. Structural and spectroscopic analyses confirm efficient photoswitching, while functional assays demonstrate high proton selectivity, complete ion exclusion, and tunable transport. Molecular simulations reveal that supramolecular water clusters, stabilized by acylhydrazone–imidazole interactions, facilitate coupled proton–water relay. Notably, the Z isomer exhibits enhanced transport relative to the E form, attributed to its greater structural flexibility and dynamic behaviour.
Chapter 3 expands this approach using a bis(imidazole-amide)-tetrafluoro-azobenzene framework, where photoinduced E–Z conversion of azobenzene enables reversible modulation of transport. The system supports efficient and selective proton and water conduction while excluding alkali cations and anions, establishing precise light-driven control. The Z isomer consistently shows superior activity, demonstrating the adaptability of azobenzene photoswitches in governing transmembrane function.
Chapter 4 examines semicarbazone-based imidazole derivatives designed to mimic I-quartet-like assemblies. Two families—imidazole-2-yl and imidazole-4-yl semicarbazones—were synthesized to investigate how subtle structural changes affect ion selectivity and transport behaviour. The imidazole-2-yl derivatives exhibit strong chloride binding and transport in their Z form, while the E isomers remain inactive. Conversely, the imidazole-4-yl analogues favor selective proton and water transport, with the E form outperforming the Z configuration. These results highlight how minor variations in molecular geometry and hydrogen-bond orientation can drastically influence transport efficiency and selectivity.
Overall, this thesis establishes a coherent molecular design strategy for photo-regulated proton and water transport in synthetic channels. By combining hydrogen-bonding motifs, proton-conducting imidazole units, and photoswitchable linkers, it introduces the first tunable systems that merge structural responsiveness with functional selectivity in proton and water transport. The insights gained advance the understanding of supramolecular channel design and lay the groundwork for stimuli-responsive materials with potential applications in biomimetic membranes, artificial photosystems, and controlled ion transport in living systems.
