Biomolécules : Conception, Isolement, Synthèse

Les outils moléculaires photosensibles, notamment les groupes protecteurs photolabiles (PPG) et les photocommutateurs, sont au cœur de nombreux domaines allant de la synthèse organique à la chémobiologie et la science des matériaux. Cependant, des défis importants subsistent dans la conception et la synthèse de PPG possédant des propriétés photophysiques et physicochimiques optimales pour des applications en photopharmacologie, un domaine émergent qui vise le contrôle spatial et temporel de l’activité d’un médicament grâce à la lumière, afin d’augmenter sa sélectivité et diminuer les effets secondaires. L'objectif du projet FluoPHOTO est le développement et la caractérisation de nouveaux groupes protecteurs photolabiles performants basés sur un nouveau scaffold moléculaire. En combinant différents substituants, cette nouvelle plateforme permettra d’augmenter les propriétés des PPG en termes de longueur d'onde d'excitation et de rendement quantique, deux des paramètres les plus importants. Après l’optimisation de la structure et des voies de synthèse des nouveaux PPG, nous allons démontrer leur pertinence dans deux projets de photopharmacologie comme preuve de concept. À l’issu de ce projet, nous espérons élargir l'espace chimique des groupes protecteurs photolabiles et accélérer leurs applications dans des domaines variés.

Les alcaloïdes indoliques monoterpéniques (AIM) sont des produits naturels actifs synthétisés par certaines plantes médicinales. Ils sont à ce titre utilisés dans notre pharmacopée (ex : vinblastine anticancéreuse) ou présentent des propriétés encore non exploités (ex : conophylline anti-Alzheimer). L’activité des AIM résulte de leur structure complexe et notamment de leur agencement en dimères comme pour la vinblastine et conophylline. Actuellement, la plupart des AIM sont encore extraits de ressources végétales mais le changement climatique commence à impacter leur taux de production causant parfois leur pénurie. Le développement de stratégies alternatives d’approvisionnement est donc primordial et à ce titre la création de cellules usines offre des opportunités concrètes de bioproduction d’AIM par ingénierie métabolique. Toutefois, cette approche nécessite l’élucidation préalable des voies de biosynthèse des AIM pour permettre le transfert des gènes les composant en levure. Alors que la compréhension du métabolisme des AIM a grandement progressé ces dernières années, leurs mécanismes de dimérisation restent grandement inconnus. Le projet MIADIM s’attachera donc à découvrir ces mécanismes chez Tabernaemontana divaricata, sélectionnée en raison de sa forte accumulation de dimères et de leur diversité, comparativement à Catharanthus roseus qui ne produit que des traces de vinblastine. En combinant des approches pointues d’analyses métaboliques spatiales, de séquençage génomique HiC, d’analyse transcriptomique sur cellule unique ou de chémobiologie, MIADIM développera le plus avancé des protocoles d’élucidation des mécanismes de dimérisation, transférable à d’autres espèces et produits naturels. En intégrant les gènes ainsi identifiés en levure via le système CRISPR/Cas9 et en optimisant le génie des procédés associé, MIADIM créera également des cellules usines productrices d’AIM dimères par synthèse de novo ou bioconversion ouvrant ainsi la voie à la sécurisation de leur approvisionnement.

Les maladies cardiovasculaires sont des maladies non transmissibles considérées aujourd’hui comme la cause de décès la plus importante dans le monde. L’hypertension, reconnue comme l’une des causes majeures de nombreuses maladies cardiovasculaires, est fortement liée au système Renin-Angiotensine (RAS) impliquant un octapeptide, l’angiotensine II. Ce dernier exerce son activité au niveau de récepteurs liés aux protéines G, en particulier le récepteur AT1 de manière non sélective entrainant des effets néfastes via le recrutement de la protéine Gq. Cependant, certains analogues, appelés ligands biaisés, sont capables de d’entrainer sélectivement un effet biologique, notamment positif par l’action de la beta-arrestine. Des études récentes ont permis de mieux comprendre l’implication structurale de l’interaction entre ligands biaisés et le récepteur AT1. Notamment, l’insertion de la partie C-terminale du peptide dans une poche hydrophobe ainsi que sa taille et sa flexibilité semblent être des éléments cruciaux pour atteindre une activité biaisée. Les groupements fluoroalkyles, de par leur effet stéréo-électronique, peuvent avoir un impact important sur la structure et les propriétés physicochimiques de peptides. Le but du projet FALCon est ainsi d’incorporer des acides aminés tri- et difluorométhylés dans des analogues de l’Angiotensine II afin d’obtenir des ligands biaisés vers la beta-arrestine tout en étant plus stables, plus efficaces et pouvant servir de sonde RMN.

S’appuyant sur les IdEx NADESGENE et HeliDES (2021, 2024) et sur des résultats préliminaires encourageants, le projet biosinpiré SemperDES rassemble des partenaires académiques et industriels dans les domaines des produits naturels et de la chimie extractive, de la physico-chimie, de la toxicologie et des biotechnologies afin de couvrir jusqu'à TRL 5-6 le développement de nouveaux solvants eutectiques profonds naturels (NaDES). Suite à l'identification du 2-C-méthyl-D-érythritol (2ME) et de son comportement NaDES dans des extraits de Sempervivum, les objectifs sont les suivants : 1-détecter et quantifier le 2ME et ses dérivés dans d'autres espèces de la famille botanique des Crassulaceae, 2-isoler et caractériser ces composés, seuls ou en mélanges NaDES, 3-explorer une peu probable toxicité, 4-procéder à l'expression hétérologue à l'échelle du laboratoire dans Escherichia coli du 1-désoxy-D-xylulose-phosphate (DXP) et du ME-phosphate (MEP), précurseurs biosynthétiques du 2ME et du 1-désoxy-D-xylulose (1DX), sur la base des constructions plasmidiques des deux premiers gènes de la voie du MEP, 5-développer en grand volume la bioproduction de DXP, MEP puis l'obtention de 1DX et 2ME (par prestation de service), 6-concevoir des NaDES originaux comme solvants pour l'éco-extraction assistée par ultrasons ou micro-ondes de plantes et de microalgues aux échelles laboratoire et pilote. Une attention particulière sera portée à limiter l'impact environnemental des différentes activités, notamment par l'utilisation de la chromatographie de partage centrifuge, technique vertueuse pour le fractionnement d’extraits et l'isolement de composés, l'emploi de résines d'adsorption moléculaire et la mise au point d'étapes d’hydrolyse enzymatique simple. Cette recherche de solvants biocompatibles originaux et non toxiques s'inscrit dans une démarche réaliste de développement durable et de mise à disposition d'outils pour la chimie verte. De plus, les applications potentielles brevetables sont nombreuses dans les domaines de la santé, des cosmétiques et de l'agro-alimentaire, soutenues par l'implication du partenaire industriel Gattefossé. Ces travaux s'accompagnent d'aspects plus fondamentaux visant à mieux appréhender les mécanismes d'adaptation d'espèces végétales aux milieux arides, défi sociétal majeur du XXIème siècle dans le cadre du changement climatique global.

Les énals sont des molécules clés en chimie organique. Leur importance découle de leur structure moléculaire particulière comportant deux sites réactifs, une double liaison C=O conjuguée et une double liaison C=C, qui offrent une multitude de réactivités potentielles. De plus, lorsque l'on considère des énals ?-énolisables, il devient alors possible d’effectuer des réactions de fonctionnalisation à distance sur cette position ? éloignée. Cependant, malgré de nombreux travaux dans ce domaine, seul un nombre limité de substituants peuvent être introduits sélectivement sur cette position ?. En outre, aucune méthodologie n’est connue à ce jour pour fonctionnaliser les énals sur la position d, encore plus éloignée. L'objectif de ce projet est d'apporter une solution aux principales difficultés rencontrées dans ce domaine, à savoir: 1) Étendre la ? fonctionnalisation à d’autres substituants, notamment à des carbones C(sp3) non activés, et des carbones C(sp2). 2) Effectuer diverses fonctionnalisations en position d des énals. 3) Étudier également l’aspect énantiosélectif de ces transformations. Le développement de nouvelles méthodes photochimiques et électrochimiques constituera le point clé permettant d’atteindre les objectifs de ce projet ambitieux.

Les iminosucres constituent une classe prometteuse de molécules à visée thérapeutique avec plusieurs composés sur le marché. Pour améliorer le potentiel biologique de ces molécules qui ciblent principalement des glycosidases, leur modulation chimique a été réalisée exclusivement sur l’azote et le carbone C1 conduisant à l’introduction d’une diversité chimique relativement faible du fait d’un manque de stratégies innovantes de fonctionnalisation. Augmenter la diversité structurale de la partie aglycone en C1 est nécessaire non seulement pour améliorer leurs propriétés biologiques/physico-chimiques mais aussi pour découvrir de nouvelles activités biologiques. C’est aussi le cas pour la position C2 sous-étudiée malgré des résultats encourageants. Augmenter l’espace chimique autour de ces deux positions est le but de ce projet qui nécessite à la fois des précurseurs idoines et des méthodes efficaces de fonctionnalisation. Les sucres ont bénéficié de la chimie développée sur les glycals, dont la fonctionnalisation par des métaux a permis de moduler efficacement les positions C1 et C2, et nous avons développé plusieurs réactions métallo-catalysées qui ont permis de décorer de façon originale la position C2 de 2-iodoglycals ainsi que la liaison C1-H de C2-amidoglycals. Pour ce projet, les iminoglycals, des glycals azotés très peu exploités chimiquement, sont de parfaits précurseurs et nous avons obtenus des résultats préliminaires prometteurs avec les dérivés 2-iodo. En combinant nos expertises en glycochimie et en réactions métallo-catalysées assistées par des calculs de chimie théorique pour anticiper la réactivité de ces molécules, notre but est de développer la chimie des iminoglycals afin d’accéder à des iminosucres inédits possédant une forte diversité moléculaire sur les positions C1 et C2. Ce travail devrait conduire à de nouveaux glycomimétiques à potentiel biologique/thérapeutique et accroitre l’espace chimique occupé par les iminosucres.

Les réactions radicalaires présentent de nombreuses caractéristiques intéressantes pour les chimistes organiciens, notamment des conditions de réaction douces, un large éventail de réactivité et la possibilité de former des liaisons carbone-carbone. Cependant, les radicaux ont longtemps été associés à des défis, principalement en raison de leur propension à une dimérisation ou à une disproportion rapide. En particulier, les radicaux allényles ont longtemps été négligés en raison de leur nature supposée incontrôlable. Ainsi, l'objectif de ce projet est de développer des méthodologies de synthèse efficaces et durables pour générer électrochimiquement des radicaux allényles à partir de précurseurs redox actifs afin de permettre leur utilisation en synthèse organique. Nous ciblerons une série de transformations innovantes, comprenant diverses fonctionnalisations et des réactions de couplages croisés énantiosélectives catalysées par des métaux de transition qui conduiront à des allènes ou alcynes hautement fonctionnalisés. La voltampérométrie cyclique sera utilisée comme un outil essentiel pour comprendre la réactivité potentielle de ces substrats.

TDP-43 est une protéine nucléaire, retrouvée sous forme d’inclusions cytoplasmiques dans les neurones des patients atteints par deux maladies neurodégénératives (SLA ou DLFT) qui n’ont à ce jour aucun traitement curatif efficace. Nous avons récemment démontré que les domaines RRM12 de TDP-43 se lient à leurs cibles ARN de manière coopérative impliquant des interactions intermoléculaires impliquant les domaines RRM. Cette liaison coopérative de TDP-43 à l'ARNm est essentielle pour maintenir la solubilité de TDP-43 dans le noyau et sa miscibilité dans les granules de stress cytoplasmiques. Plus récemment, nous avons montré que l'état de phosphorylation de TDP-43 contrôle sa localisation cellulaire. Il est à noter que les structures 3D disponibles pour la protéine TDP-43 correspondent seulement à des domaines isolés et que les interactions entre ces différents domaines restent inconnues. TDP-43 ciblent de longues répétitions d'ARN riches en GU qui peuvent former des tétramères/pentamères induisant probablement des contraintes structurales sur la cible ARN. L'objectif global de ce projet est de documenter la relation structure/fonction des auto-assemblages de TDP-43. Ces assemblages sont des cibles reconnues dans la SLA et la FTLD. Les résultats de ce projet permettront de déchiffrer comment des mutations pathologiques et des modifications post-traductionnelles peuvent mener aux pathologies associées à TDP-43. Pour atteindre ces objectifs, nous adopterons une stratégie intégrative en utilisant des analyses structurales, computationnelles et biochimiques combinées à des approches fonctionnelles dans des modèles cellulaires et chez l’animal. La disponibilité de données fonctionnelles et structurales sur les auto-assemblages de TDP-43 ouvrira la voie à l'élucidation du mécanisme de la protéinopathie de TDP-43 et à la conception de petites molécules interférant avec l'agrégation de cette protéine.

Le projet FLUORAAC a pour ambition de mettre au point des voies d'accès originales à des aminoacides cyclopropaniques portant des groupements fluorés (CF3, CF2H et CH2F) ou un atome de fluor à partir des nitro diazo acétates et d'alcènes portant un groupement fluoré. D'autres voies d'accès à partir de composés diazo portant le motif CF3 ou CF2H et d'un alcène portant une fonction aminoacide masquée seront également étudiées. Pour cela, de nouveaux catalyseurs au rhodium seront mis au point via une approche par calculs théoriques et fera également appel à l'intelligence artificielle. Ces motifs cyclopropaniques chiraux portant un groupe fluoré seront ensuite incorporés d'une part dans des structures peptidiques modèles pour comprendre les conséquences de l'introduction d'un tel motif dans la structure tridimensionnelle du peptide. Pour cela plusieurs techniques analytiques comme la résonance magnétique nucléaire ou la spectroscopie infra-rouge seront utilisées. Enfin ces motifs seront également intégrés dans la structure minimale de la neurotensine et de la cathepsin D afin d'étudier les activités biologiques de ces analogues cyclopropaniques.

L’importance des oligonucléotides (ON) a poussé les chimistes à développer des synthèses efficaces de ces molécules. Actuellement, l’accès aux ON naturels est devenu un procédé automatisé compétitif. Néanmoins, le lien naturel est rapidement hydrolysé en milieu physiologique. Des ON non naturels ont donc été explorés pour atteindre plus de stabilité, de spécificité,… et moins de toxicité. En particulier, les ON possédant un lien C-C sont d’un grand intérêt du à leur stabilité et leur similarité comparées aux ON naturels. Cependant, l’élaboration d’un tel lien entre deux nucléosides reste difficile. L’objectif de ce projet est d’offrir une alternative innovante de construction de liaisons non naturelles en 3’ de nucléosides à partir de structures facilement accessibles et d’augmenter l’étendue structurale des nucléosides. La stratégie s’appuie sur l’utilisation de couplages croisés métallo-catalysés (CCM) sur des nucléosides de type glycal (NuG), très rares dans la littérature. Ces dernières années, nous avons acquis une expertise dans la synthèse de C-glycoanalogues via des CCM. Ce projet tend à tirer profit de notre expertise dans les CCM et de l’expertise du Prof. Lecouvey dans la synthèse de molécules phosphorées complexes. Le premier objectif sera la mise en place de la méthodologie de CCM. Le deuxième objectif consistera à appliquer cette réactivité à la synthèse de petits oligomères. Le troisième objectif visera à étendre cette réactivité à divers réactifs phosphorés complexes. Le projet impliquera une thèse en codirection, un post-doctorant d’un an et deux stages de Master 2. Le projet inclura également des missions du consortium ainsi que du fonctionnement et de l’équipement de laboratoire.

Les myocytes cardiaques possèdent une membrane de surface et un réseau dense de tubules transverses (TT), qui sont des invaginations de la membrane de surface qui pénètrent à l'intérieur de la cellule. De nombreuses protéines membranaires sont localisées à la fois dans la membrane de surface et dans la membrane des TT : c’est le cas notamment des récepteurs ß-adrénergiques (ß-AR). Notre but est d'explorer la fonction des ß-AR dans ces deux compartiments membranaires. Pour cela, nous synthétiserons des ligands ß-AR constitués de molécules de polyéthylèneglycol (PEG) greffées à divers agonistes ou antagonistes des sous-types de ß-AR (ß1-AR, ß2-AR). Nous avons vérifié au préalable que ces ligands PEGylés ne peuvent accéder aux TT, du fait de leur encombrement stérique. Nous allons ensuite comparer sur une même cellule l'effet d'un agoniste libre A et d'un agoniste PEGylé A, ou de la combinaison d’un agoniste libre A et d’un antagoniste PEGylé B, ou vice-versa, afin de distinguer le rôle des ß-AR selon qu'ils sont localisés dans la membrane de surface ou dans la membrane des TT. Les expériences seront réalisées sur des myocytes ventriculaires de rats adultes. Du fait de récents travaux suggérant des différences en fonction du sexe des voies de signalisation ß-AR/AMPc, les expériences seront réalisées à la fois sur des animaux mâles et femelles pour comparaison.

Nous étudierons le rôle d'un polymorphisme humain dans un gène du récepteur nicotinique de l'acétylcholine (nAChR), en développant et utilisant des modèles précliniques et en mettant en œuvre une nouvelle approche pharmacologique pour cibler spécifiquement les nAChR mutés. Notre projet est basé sur de solides études d'association génomique (GWAS), confirmées par méta-analyse, qui relient un polymorphisme "SNP" codant à plusieurs maladies. Outre un lien solide avec le tabagisme, ils sont impliqués dans la schizophrénie (SZ), avec une association statistique plus élevée que des cibles médicamenteuses classiques comme les récepteurs de la dopamine. Ils sont aussi impliqués dans la dépendance à la cocaïne, aux opioïdes, et également à la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO), cancer du poumon, longévité et indice de masse corporelle. Ils présentent ainsi une cible majeure pour l'intervention pharmacologique, et sont prédominants dans la population, avec une fréquence allélique de28 %. Nos souris et rats transgéniques expriment le SNP le plus répandu, largement distribué dans le cerveau humain (https://human.brain-map.org/), rs16969968. On testera les souris par une imagerie trois-photons de leurs cerveaux. On utilisera aussi les rats transgéniques pour une batterie de tests "Touchscreen", une méthode de points. Ces études seront étendues à l'aide de nouvelles approches pharmacologiques. Cela servira au ciblage de nouvelles voies pour la normalisation de la signalisation cholinergique, altérée dans les maladies mentales. Les résultats contribueront à approfondir notre compréhension des altérations synaptiques sous-jacentes, et de créer de nouveaux candidats-médicaments, agissant sur les récepteurs génétiquement modifiés, pour progresser vers des traitements personnalisés pour les porteurs des SNP. Nous les adapterons aux études in vivo et utiliserons une nouvelle série de modulateurs allostériques positifs (PAM) et négatifs (NAM) qui ciblent spécifiquement alpha5.