Soutenance mémoire
Depuis la fin des années 1990, l’émergence du concept de « chimie verte » introduit par Anastas et Warner a laissé place à une nouvelle approche de la chimie et des protocoles de synthèse. En effet, face à des enjeux énergétiques et environnementaux majeurs au niveau planétaire, la chimie doit construire son avenir sur une démarche de développement durable. Pour cela, douze principes à respecter ont été définis et diffusés auprès des professionnels de la recherche et de l’industrie. Ainsi, la chimie doit évoluer vers des activités plus sûres et plus respectueuses de l’environnement. Des réactions en milieu aqueux plutôt qu’en présence de solvants seront alors privilégiées, tout comme l’utilisation de ressources renouvelables et de catalyseurs mais aussi l’économie d’atomes ou encore une attention particulière à limiter les accidents, explosions ou émissions de produits toxiques. Depuis plus d’un siècle, et de manière plus active grâce à la parution de ces douze principes, l’utilisation de procédés et réactions catalytiques est ainsi devenue omniprésente dans la conception de nouvelles voies de synthèse.
La catalyse enzymatique
Parmi les différentes stratégies développées à ce jour, c’est l’utilisation des enzymes qui conduit aux systèmes catalytiques les plus compétitifs. Ces protéines, longs enchaînements de séquences peptidiques structurés, sont omniprésentes dans les processus catalytiques qui opèrent dans les milieux naturels et régissent de nombreux mécanismes vitaux. Pour expliquer de telles performances, plusieurs théories, dont le concept de système « clé-serrure » de Fischer puis d’ajustement induit, ont été proposées pour illustrer le mode d’action des enzymes. Selon ces principes, les enzymes (E) sont capables d’accueillir et de se lier via leur site actif à un nombre restreint de substrats (S), grâce à la structure particulière qu’elles adoptent, pour former un complexe enzyme-substrat (ES) . De plus, la théorie d’ajustement induit suggère qu’une fois le substrat lié, l’enzyme adapte ensuite la structure de sa cavité (EP) de manière à favoriser la formation et la stabilisation d’un état de transition ETenz . Cet effet stabilisant diminue alors la barrière énergétique à franchir pour transformer le substrat en produits (P1) et (P2). Pour atteindre son état de transition ETenz, l’énergie ΔGETenz à fournir au complexe enzyme-substrat est moins importante que celle nécessaire pour atteindre l’état de transition ET du substrat en l’absence de catalyseur.
Ces hypothèses illustrent la spécificité d’action des enzymes. Plusieurs substrats sont capables de créer des interactions avec les sites catalytiques enzymatiques. Cependant, l’hypothèse émise par Koshland consiste à dire que l’enzyme n’en reconnaît que certains en adaptant sa cavité en fonction de la nature et de la structure des substrats. Cela est dû notamment à la présence d’acides aminés spécifiques au sein des sites actifs qui accueillent et stabilisent les substrats à modifier, grâce à des interactions faibles (principalement des liaisons hydrogène). De ce fait, selon la conformation adoptée par le site actif en présence du substrat, l’enzyme sera très réactive vis-à-vis du substrat invité ou totalement inhibée si ce substrat se lie à elle mais n’induit pas la mise en place d’une conformation «active» du catalyseur biologique. Cela souligne donc l’importance de la compatibilité de structure entre enzymes et substrats et explique par ailleurs la grande sélectivité des enzymes.
Dans un second temps, la cavité enzymatique est souvent décrite comme une « poche hydrophobe » qui favorise l’accueil des substrats, en général tout aussi hydrophobes. Un phénomène de concentration locale en réactifs est ainsi observé au sein de ces sites hydrophobes. Celui-ci favorise alors la réaction et participe par conséquent à l’amélioration des vitesses des processus enzymatiques.
Enfin, les enzymes sont constituées d’un enchaînement covalent d’acides aminés. Ces motifs créent également entre eux des liaisons faibles qui sont responsables de la structure tertiaire des enzymes, cette structure étant elle-même génératrice de sites catalytiques hydrophobes. Le positionnement spécifique de certains acides aminés constitue par ailleurs un apport organocatalytique (via les fonctions acides, basiques ou nucléophiles de certains) qui va agir de manière complémentaire à la présence de la cavité hydrophobe. La triade catalytique sérine-histidineacide aspartique des protéases suit par exemple un mécanisme d’action qui inclut une attaque nucléophile de la sérine.
Emergence de l’organocatalyse et du biomimétisme
Depuis la fin des années 1990, un intérêt manifeste pour l’organocatalyse a pu être observé, notamment en analysant le nombre d’articles scientifiques parus à ce sujet. Cela se justifie en partie par le fait qu’un organocatalyseur est un outil en général peu coûteux et peu sensible aux stimuli externes, par rapport à certains complexes métalliques. De plus, il est possible de concevoir des systèmes catalytiques respectueux de l’environnement et de la santé en employant par exemple des acides gras, des sucres ou des acides aminés.
Dans ce vaste domaine qu’est l’organocatalyse, une approche consiste à s’inspirer des processus enzymatiques et des connaissances sur leur mode de fonctionnement pour concevoir de nouveaux systèmes catalytiques performants : on parle de biomimétisme. L’objectif est d’obtenir des composés à haute activité catalytique, qui pourront également présenter une certaine sélectivité vis-à-vis du substrat, de la réaction ou des produits. Il est par ailleurs souhaitable d’élaborer des structures plus stables et moins coûteuses que les enzymes qui puissent également être recyclées. Plusieurs stratégies peuvent ainsi être envisagées pour la conception de systèmes organocatalytiques bio-inspirés.
– Une première approche consiste à développer des cavités dites systèmes «hôtes» analogues aux sites enzymatiques hydrophobes, afin d’adapter la forme de la cavité aux substrats à accueillir et/ou de recréer le confinement permettant d’accroître la réactivité.
– Parallèlement, une autre thématique de recherche vise à concevoir des oligopeptides dans le but d’apporter une organocatalyse performante liée à l’intervention de plusieurs acides aminés sur un même substrat et à leur combinaison adéquate.
– Enfin, pour des systèmes encore plus performants, il peut également être envisagé d’associer les deux aspects en apportant la catalyse chimique (des acides aminés), à laquelle viendrait s’ajouter la contribution d’une zone hydrophobe qui orienterait les substrats dans un positionnement plus favorable à l’intervention des acides aminés constituant les sites réactifs.
La conception de systèmes « hôtes »
Une première approche du biomimétisme est donc de concevoir des systèmes qui vont chercher à mimer l’environnement confiné des sites catalytiques enzymatiques. L’objectif est de travailler avec des composés « hôtes » capables d’accueillir un ou plusieurs substrats « invités » dans leurs cavités hydrophobes. Cela a pour premier avantage d’augmenter la concentration locale en réactifs dans ces sites hydrophobes, mais aussi de favoriser l’obtention et la stabilisation d’un état de transition. Egalement, cela permet d’induire une conformation qui favorisera la formation majoritaire de certains énantiomères dans le cas de réactions générant des produits optiquement actifs. Ces paramètres sont autant de propriétés qui peuvent être apportées aux systèmes « hôtes » lors de leur conception. Cet aspect du biomimétisme étant grandement étudié, ci-après est présentée une liste non exhaustive d’enzymes artificielles basées sur la présence de cavités hydrophobes.
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Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I : Mise au point bibliographique sur la conception d’organocatalyseurs bio-inspirés
I. Introduction
I. 1. La catalyse enzymatique
I. 2. Emergence de l’organocatalyse et du biomimétisme
II. La conception de systèmes « hôtes »
II. 1. Utilisation de macrocycles comme hôtes catalytiques
II. 1. 1. Les cyclodextrines
II. 1. 2. Les cucurbiturils
II. 1. 3. Autres exemples de macrocycles hôtes
II. 2. Emploi de polymères à empreintes moléculaires
III. Les séquences peptidiques comme outils catalytiques
III. 1. Présentation des acides aminés
III. 2. Utilisation d’acides aminés et de courtes séquences peptidiques en catalyse
III. 2. 1. Les acides aminés simples
III. 2. 2. Les dipeptides
III. 2. 3. Les dipeptides cycliques
III. 3. Développement d’oligopeptides catalytiques
III. 3. 1. Les homo-oligopeptides
III. 3. 2. Les oligopeptides multi-composants
IV. Les lipopeptides : une alternative simplifiée pour apporter l’hydrophobie à des séquences peptidiques catalytiques
IV. 1. Définition des systèmes
IV. 2. Intérêt des systèmes moléculaires organisés
IV. 3. Origine et propriétés des lipopeptides
IV. 2. 1. Lipopeptides issus des microorganismes
IV. 2. 2. Lipopeptides synthétiques aux propriétés d’auto-assemblage
IV. 4. Lipopeptides comme organocatalyseurs
V. Conclusion
VI. Références
CHAPITRE II : Synthèse et caractérisation des lipopeptides
I. Introduction
II. Synthèse peptidique
II. 1. Définition du couplage peptidique
II. 2. Choix des conditions de couplage
II. 3. Synthèse des lipopeptides C-ter
II. 4. Synthèse des lipopeptides N-ter
II. 5. Synthèse de lipopeptides catanioniques
III. Etude des propriétés d’auto-organisation des lipopeptides
IV. 1. Caractérisation des lipopeptides à l’état solide
IV. 2. Détermination des concentrations d’agrégation critiques
IV. 3. Détermination des structures par microscopie électronique
IV. 4. Techniques de diffusion
IV. Conclusion
V. Références
CHAPITRE III : Etude de l’activité catalytique des lipopeptides sur l’hydrolyse d’esters en milieu aqueux
I. Introduction
II. Etude de l’activité catalytique des lipopeptides sur l’hydrolyse du pNPA
II. 1. Etudes préliminaires
II. 2. Comparaison de l’efficacité catalytique des différents lipopeptides
II. 3. Influence des groupes fonctionnels et des charges sur la catalyse
II. 4. Hypothèses de mécanisme
II. 5. Etude de l’existence d’une contribution interfaciale
III. Extension à d’autres esters modèles 109
IV. Conclusion
V. Références
CHAPITRE IV : Etude de l’activité catalytique des lipopeptides sur l’hydrolyse d’esters en milieu aqueux
I. Introduction
II. Etude des interactions lipopeptides-ADN
II. 1. Suivi du phénomène d’intercalation du bromure d’éthidium
II. 2. Etude des interactions dans le petit sillon du double brin d’ADN
II. 3. Suivi de l’auto-organisation des lipopeptides en présence d’ADN
III. Etude des propriétés hydrolytiques des lipopeptides sur l’ADN
III. 1. Mise en évidence du clivage de l’ADN et influence de la longueur de la chaîne carbonée
III. 2. Influence de la nature de la tête polaire sur le clivage de l’ADN
III. 3. Etude du clivage de l’ADN en présence d’un catanionique
III. 4. Variation du rapport lipopeptide/ADN
IV. Conclusion
V. Références
Conclusion générale
