Synthèse de nouveaux fluorophores organiques – Application à la conception de substrats fluorogéniques d'enzymes fondés sur le principe de la synthèse in situ

Synthesis of novel organic-based fluorophores – Implementation to the design of fluorogenic enzyme substrates based on the principle of in situ synthesis

• Auteur / Autrice : Garance Dejouy
• Direction : Anthony Romieu, Ibai Valverde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 09/10/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : Institut de Chimie Moléculaire de l'Université de Bourgogne (ICMUB) (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Moléculaire de l'Université de Bourgogne (ICMUB) (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Burger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Devillers
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Durandetti, Florence Mahuteau-Betzer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maillard, Réaction de

Synthèse (chimie)

Microbiologie

Fluorescence

Mots clés libres

Activation enzymatique

Fluorescence

Hétéro-Xanthènes

Quinoxalinones

Sonde fluorogéniques

Synthèse in situ

Enzymatic activation

Fluorescence

Fluorogenic probes

Hetero-Xanthene dyes

In situ synthesis

Quinoxalinones

Résumé

La détection et l'imagerie par fluorescence de systèmes biologiques nécessite la mise en place d'outils efficaces, robustes et simples d'utilisation. Les sondes fluorogéniques conventionnelles, actuellement utilisées en microbiologie manquent de précision puisqu'elles résultent de la simple modification chimique de la structure d'un fluorophore déjà formé, conduisant souvent à une extinction incomplète de sa fluorescence intrinsèque. Mes travaux de thèse ont pour but de développer de nouveaux substrats fluorogéniques d'enzymes basés sur le principe du "covalent assembly". Cette approche de synthèse chimique in situ d'un cœur fluorescent à partir d'un précurseur dit "cagé" non-fluorescent, met en jeu des réactions domino caractérisées par la formation et la rupture de liaisons covalentes, déclenchées par une réaction enzymatique déclenchée par les bactéries à identifier. Les avantages d'une telle approche sont nombreux (meilleur rapport signal sur bruit, exemplification aisée à un large éventail d'analytes, …). Dans ce contexte, le premier objectif de ma thèse a été de synthétiser des fluorophores de type hétéro-xanthène originaux afin de valider leur stabilité dans des conditions physiologiques. De nouvelles sulfone- et Si-pyronines ont été obtenus. La synthèse des précurseurs "cagés" correspondant aux composés les plus stables en milieux aqueux, a été entreprise pour pouvoir les utiliser comme sondes à peptidases. L'ensemble de ces travaux sont décrits dans le chapitre I et II de ce manuscrit. Les difficultés rencontrées lors de la mise en œuvre de l'approche "covalent assembly" avec ces hétéro-xanthènes, nous ont conduit à explorer une nouvelle famille de fluorophores, les quinoxalinones. La formation in-situ de ces hétérocycles fluorescents, faisant suite à un stimuli enzymatique d'un précurseur "cagé" est présenté dans le chapitre III. Enfin le dernier chapitre traite de la synthèse d'une sonde conventionnelle dérivée d'une bis-sulfonyle-bis-aniline récemment publiée dans la littérature.

Detection and fluorescence imaging of biologic systems requires the implementation of efficient, robust and easy-to-use tools. Conventional fluorogenic probes currently used in microbiology lack efficiency since they are based on the single chemical modification of a fluorophore bearing an optically tunable reactive group, which often leads to incomplete fluorescence quenching. The main goal of my Ph.D thesis was to develop novel fluorogenic enzymatic substrates based on the "covalent assembly" principle. This approach also named "in situ synthesis" is based on the use of domino reactions to form a fluorescent moiety starting from a "caged" non-fluorescent molecule. In our case, the bioanalyte that triggers the reaction is present in bacteria, that we want to detect. This strategy provides many advantages (improved signal-to-noise ratio, easy exemplification to a wide range of analytes, …). In this context, the first goal of my thesis was to synthesize original fluorescent hetero-xanthene dyes to assess their stability under physiological conditions. Novel sulfone- and Si-pyronin derivatives were obtained. Synthesis of the corresponding "caged" precursors to the most stable compounds was then undertaken for their use as a peptidase-responsive probes. This work is described in the first and second chapter of this manuscript. Faced with difficulties to implement "covalent assembly" probe design principle to Si-pyronins, another class of fluorophores, namely quinoxalinone was explored. In situ formation of these fluorescent heterocycles triggered by an enzyme is presented in the third chapter. Finally, the last chapter was devoted to the synthesis of a conventional probe derived from a bis-sulfonyl-bis-aniline recently reported in the literature.