Dandan SU
a soutenu sa thèse le Jeudi 22 juin 2023
« FROM (BIO)MOLECULAR RECOGNITION TO TRANSPORT:
DYNAMIC SYSTEMS FOR GENE DELIVERY, ENZYME
ACTIVATION, AND ARTIFICIAL CHANNELS«
Devant le jury composé de :
– M. Mihail BARBOIU, Directeur de Recherche, CNRS, IEM – Directeur de thèse
– M. Sébastien ULRICH, Chargé de Recherche, CNRS, IBMM – Co–directeur de thèse
– Mme. Hennie VALKENIER, Research Associate, FNRS, Université libre de Bruxelles – Rapportrice
– M. Mathieu SURIN, Maître de Recherches, FNRS, Université de Mons – Rapporteur
– M. Gilles GUICHARD, Directeur de Recherche, CNRS, Université de Bordeaux – Examinateur
– M. Michael SMIETANA, Professeur, Université de Montpellier – Examinateur
Résumé :
La chimie constitutionnelle dynamique a pénétré dans un large éventail d’applications au cours des dernières décennies, telles que la chimie des matériaux et la chemobiologie. Les caractéristiques d’assemblages dynamiques contribuent à la formation de bibliothèques constitutionnelles (virtuelles) à partir desquelles des composés tête de point pour la reconnaissance biomoléculaire d’une cible d’intérêt peuvent émerger. Au–delà de la chimie moléculaire traditionnelle, la chimie supramoléculaire permet de programmer des molécules en nanostructures fonctionnelles ordonnées, et c’est l’utilisation de liaisons réversibles qui donne alors accès à des assemblages dynamiques de molécules permettant d’observer des phénomènes d’intérêt d’adaptation, de sélection et d’évolution.
L’objet de ces travaux de thèse vise à créer des systèmes dynamiques fonctionnels pour la reconnaissance et le transport de biomolécules. Il s’articule autour des trois objectifs suivants :
i) la délivrance de gènes, ii) l’activation de la catalyse enzymatique et iii) le transport d’eau et d’ions par des canaux artificiels.
i) Deux systèmes dynamiques, les polymères covalents dynamiques linéaires et les réseaux constitutionnels dynamiques réticulés ont été conçus et étudiés pour la reconnaissance et le transport d’acides nucléiques. Pour ce faire, des modules peptidiques portant des groupements terminaux aldéhyde et amine/hydrazide ont été préparés par synthèse peptidique sur support phase solide. Leur auto–assemblage covalent par des réactions de condensation conduisant aux candidats vecteurs. Pour mieux comprendre le mécanisme et la sélectivité, nous avons étudié les performances de complexation vis–à–vis de divers types d’acides nucléiques et avons caractérisé la taille et la structure des nano–particules formées. Les tests de transfection cellulaire ont permis de confirmer le potentiel de ces vecteurs. Cette étude contribue ainsi au développement d’une meilleure compréhension des relations structure–activité.
ii) La construction de réseaux constitutionnels dynamiques a été mise en œuvre afin de découvrir les activateurs potentiels de l’anhydrase carbonique avec un rationnel de sélection de briques moléculaires pouvant contribuer à la navette protonique et/ou à la modification du microenvironnement de l’enzyme. Une évaluation complète a été réalisée en déterminant la constante d’association avec l’enzyme, ainsi que les paramètres de la catalyse enzymatique de l’hydrolyse d’esters modèles. Les assemblages cationiques ont été identifié comme les activateurs les plus performants de l’anhydrase carbonique. Ces résultats ouvrent des perspectives pour le développement de systèmes membranaires pour la capture du dioxyde de carbone.
iii) Un ensemble de composés urée bisfonctionnalisées ont été préparés par la réaction d’amino–isocyanate pour accéder à des canaux d’eau/d’ions auto–assemblés. Des chaines aliphatiques hydrophobes y ont été insérées d’un côté, variant la longueur et les sites de liaison. De l’autre côté des groupements polaires pouvant être formé des réseaux de liaisons
hydrogène canal–canal ou canal–eau ont été sélectionnées. Nous avons ensuite étudié la capacité de transport sélectif d’eau, d’ions et de protons. Les canaux bis–alkyl uréido imidazole présentent une perméabilité nette à l’eau élevée mais une faible conductance protonique, tandis qu’un comportement de cotransport avec des canaux mono–alkyl uréido imidazole a été mise en évidence. Les nouveaux canaux ainsi obtenus peuvent être considérés en vue d’application future pour le dessalement de l’eau ou d’autres applications environnementales.
Abstract:
Dynamic constitutional chemistry has penetrated a wide range of applications over the past decades, such as materials chemistry and chemobiology. The features of dynamic assemblies contribute to the formation of constitutional (virtual) libraries from which emerge targeted compounds for biomolecular recognition. Beyond traditional molecular chemistry, supramolecular chemistry makes it possible to program molecules into the ordered functional nanostructures, and it is the participation of reversible bonds which gives access to dynamic assemblies, making it possible to observe phenomena of interest in adaptation, selection and evolution.
The object of this thesis aims to create functional dynamic systems for the recognition and transport of biomolecules. It revolves around the following three objectives: i) gene delivery, ii) activation of enzymatic catalysis and iii) transport of water and ions through artificial channels.
i) Two dynamic systems, linear dynamic covalent polymers and cross–linked dynamic constitutional networks have been designed and studied for nucleic acid recognition and transport. Peptide building blocks carrying terminal aldehyde and amine/hydrazide groups were prepared through solid phase peptide synthesis. Their covalent self–assembly process by condensation reactions bring us the candidate vectors. To better understand the mechanism and the selectivity, we have studied the complexation performance against various types of nucleic acids, and have characterized the size and structure of the formed nano–particles. Cellular transfection experiments have confirmed the potential of these vectors. Thus this study contributes to the development of a better understanding of structure– activity relationships.
ii) The construction of dynamic constitutional networks has been implemented in order to discover the potential activators of carbonic anhydrase with a rational selection of molecular modules which can contribute to the proton shuttle and/or to the changing of the microenvironment around the enzyme. A complete evaluation has been carried out by determining the association constant with the enzyme, as well as the parameters of the enzymatic catalysis by monitoring the hydrolysis of esters. Cationic
assemblies have been identified as the most efficient activators of carbonic anhydrase. These results open perspectives for the development of carbon dioxide capture in solid membrane systems.
iii) A set of bisfunctionalized urea compounds bave been prepared by the amino–isocyanate reaction to access the self–assembled water/ion channels. On the one hand, hydrophobic aliphatic chains were grafted to vary the length and the binding sites of the obtained channels. On the other hand, polar groups were selected for the formation of channel–channel or channel–water hydrogen bonds. We then have studied the selective transport capacity toward water, ions and protons. Bis–alkyl ureido imidazole channels exhibit high net water permeability but low proton conductance, meanwhile cotransport behavior with mono–alkyl ureido imidazole channels has been demonstrated. The obtained novel channels can be considered for the future development of water desalination or other environmental applica
