Soutenance mémoire
La découverte des antibiotiques est souvent considérée comme la plus grande découverte de tout les temps dans le domaine de la santé. En effet, en permettant le traitement de maladie comme la tuberculose, la pneumonie, le choléra, la peste, le tétanos, la syphilis et bien d’autres, cette découverte a révolutionné la médecine et la démographie mondiale, l’OMS (Organisation Mondiale de la Santé) estimant que l’accès aux antibiotiques permet d’augmenter l’espérance de vie de plus de dix ans.
Selon la définition donnée par Waksman en 1941, un antibiotique est une substance produite par un micro-organisme qui possède la propriété, à faible concentration, d’inhiber la croissance d’autres micro-organismes ou même de les éliminer. Les antibiotiques peuvent donc être divisés en deux types, les bactériostatiques qui empêchent la multiplication des bactéries ciblées et les bactéricides qui les éliminent.
Si la découverte des antibiotiques est le plus souvent attribuée à l’écossais Sir Alexander Fleming, celui-ci a bénéficié de certains précédents. Tout d’abord Koch qui avait découvert le rôle des bactéries dans les maladies infectieuses. Par la suite, Pasteur et Joubert avaient, dès 1877, observé un antagonisme entre certains champignons et certaines bactéries. De même, Duchesne avait remarqué en 1887 une interaction entre la bactérie Escherichia Coli et la moisissure Penicillium Glaucum. Ce n’est qu’en 1928 que Fleming découvrit par hasard ce qui allait devenir le premier antibiotique naturel, la pénicilline. De retour de vacances, il s’aperçut que les boites de Petri dans lesquelles il cultivait des bactéries de type staphylocoques, avaient été contaminées par des colonies de moisissures. Il s’agissait en fait d’une souche d’un champignon microscopique, Penicillium Notatum, qui était étudiée par son voisin de paillasse. Fleming observa que les staphylocoques ne s’étaient pas développés au voisinage des colonies de champignon et émit l’hypothèse que celui-ci sécrétait une substance, qu’il nommât pénicilline, capable d’inhiber le développement de la bactérie.
Il fallut néanmoins attendre 1940 pour que l’importance et les possibilités d’applications médicales de cette découverte ne soient comprises. En effet au cours de cette période, Howard Florey et Ernst Chain réussirent à isoler et à purifier la pénicilline. Les premiers essais chez la souris et l’homme se montrèrent très concluants et révélèrent l’absence de toxicité. Il restait néanmoins à résoudre le problème de la production de la pénicilline en grande quantité. Pour cela, Florey découvrit et utilisa aux Etats-Unis une nouvelle levure Penicillium Chrysogenum capable de produire deux cent fois plus de pénicilline que la souche de Fleming. En 1941, les laboratoires Pfizer résolurent définitivement le problème de la production en masse en mettant à profit leur grande expérience de la fermentation en cuve. Ainsi, la pénicilline devint un médicament indispensable en cette période de guerre mondiale face aux besoins de milliers de soldats blessés souffrant d’infections. Dès 1945, à la fin de la guerre, la pénicilline fut disponible dans la plupart des pharmacies des Etats-Unis et d’Europe, la même année Fleming, Florey et Chain reçurent le prix Nobel de médecine pour « la découverte de la pénicilline et de ses effets curatifs sur de nombreuses maladies infectieuses ». Bien que les sulfonamides, antibiotiques de synthèse dérivés des colorants, découverts dès 1932 par Domagk au sein des laboratoires Bayer, aient été les premiers utilisés, c’est l’avènement de la pénicilline lors de la Deuxième Guerre mondiale qui a véritablement lancé l’ère de la thérapie antibiotique. Par la suite, les programmes de recherche systématiques d’antibiotiques dans les bactéries et les champignons, provenant principalement du sol, se multiplièrent et permirent de nombreuses découvertes. Un exemple remarquable a été la découverte par Waksman en 1943 de la streptomycine, premier antibiotique permettant de traiter la tuberculose.
Les thiopeptides antibiotiques
Origines et structure
Les thiopeptides antibiotiques sont des métabolites secondaires produits par des bactéries de l’ordre des Actinomycètes, le plus souvent du genre Streptomyces. Le premier représentant, la micrococcine, a été isolé en 1948 à Oxford d’une souche de champignon Micrococcus. Actuellement, plus de 90 molécules réparties en 32 familles ont été recensées, les deux plus anciennes étant les micrococcines ou le thiostrepton, isolé en 1954 d’une souche de Streptomyces azureus ; les plus récentes, étant les philipymicines ou les thiomuracines isolées respectivement par les laboratoires Merck et Novartis. D’un point de vue structurel, ces molécules appartiennent à la famille des cyclopeptides azoliques qui sont des peptides cycliques modifiés, c’est-à-dire au sein desquels des transformations enzymatiques ont conduit à la condensation de certaines unités sérine, thréonine ou cystéine, avec la fonction amide suivante formant ainsi des cycles oxazole(ine) ou thiazole(ine). La particularité des thiopeptides antibiotiques au sein de cette famille réside dans l’interruption de la chaine peptidique modifiée par une structure hétérocyclique centrale plus complexe, appelée le cœur hétérocyclique. Ces cœurs hétérocycliques sont principalement composés d’un noyau central pyridinique à divers degré d’oxydation, tri- ou tétra-substitués notamment par des noyaux thiazole et oxazole mais également par des fonctions amides simples .
Les équipes de Hensens puis de Bagley ont d’ailleurs proposé de classer ces différentes familles, qui ont parfois été isolées du même organisme, selon le degré d’oxydation de l’unité centrale azotée. Ainsi les 32 familles sont réparties au sein de 5 séries.
Biosynthèse des thiopeptides antibiotiques
D’un point de vue biosynthétique, les thiopeptides antibiotiques sont des polypeptides dont les acides aminés sont les briques élémentaires. Ceci a été montré par des expériences d’incorporation d’acides aminés marqués par des éléments tels que le 13C, le 14C, le deutérium ou le tritium, à des cultures de bactéries productrices de thiopeptides antibiotiques. Ce procédé de marquage a finalement montré que l’intégralité des composants des thiopeptides antibiotiques avait pour origine des acides aminés, aussi bien la partie peptidique modifiée que le cœur hétérocyclique. Ainsi, la sérine est l’acide aminé central pour la synthèse des thiopeptides antibiotiques. En effet, chez les bactéries la cystéine est synthétisée à partir de la sérine par acétylation du groupement hydroxyle à l’aide du co-facteur acétylcoenzyme A suivi de la substitution du groupement acétate par un ion sulfure. Ces deux acides aminés fondamentaux, sérine et cystéine . Ainsi, la condensation du thiol de la cystéine ou de l’alcool de la sérine sur le groupement carbonyle de la liaison amide adjacente suivie de l’élimination d’une molécule d’eau conduit à la formation d’une unité dipeptidique thiazolinique ou oxazolinique. Une étape supplémentaire d’oxydation conduit aux unités dipeptidiques thiazolique ou oxazolinique.
Les résidus dehydro-alanines, également souvent présents dans la chaine peptidique des thiopeptides antibiotiques, sont obtenus par élimination d’une molécule d’eau à partir de la sérine. La réduction consécutive de la double liaison permet en outre la formation d’une unité alanine .
Concernant le cœur hétérocyclique central, il provient de la condensation de deux résidus dehydro-alanines selon un processus complexe souvent représenté comme une cycloaddition. Ce mécanisme a été suggéré dès 1978 par Bycroft et Gowland lors de la détermination des structures des micrococcines P1 et P2. A la suite de cette étape, l’élimination d’une molécule d’eau conduit à une 3-aminodehydropyridine, qui constitue un précurseur commun à l’ensemble des cœurs des séries a, b, d et e . En effet, une première réduction de ce précurseur permet d’accéder au cœur de la série b et une seconde au cœur de la série a, tandis qu’une réaction de désamination permet la formation de la pyridine caractéristique du cœur de la série d. Enfin, une étape d’hydroxylation de la pyridine en position 5 conduit au cœur de la série e.
S’il ne fait désormais aucun doute que les acides aminés sont les seuls éléments structuraux des thiopeptides antibiotiques, la machinerie cellulaire de biosynthèse n’a été élucidée que très récemment. En effet de façon générale chez les bactéries, la biosynthèse de produits naturels peptidiques complexes s’effectue selon deux voies principales. La première voie repose sur la synthèse d’un précurseur peptidique linéaire, par traduction d’un ARNm encodé dans le génome de la bactérie, réalisée au sein du ribosome, qui est suivie de modifications enzymatiques post-traductionnelles. La seconde voie repose sur l’action de synthétases ou NRPS (non ribosomal peptide synthétases), complexes enzymatiques possédant à la fois la matrice de l’information et la machinerie biosynthétique nécessaire à la synthèse des produits naturels peptidiques. Ces rôles étant joués respectivement par l’ARNm et les ribosomes dans la voie classique. Les produits naturels peptidiques issus de cette seconde voie sont souvent d’une plus grande complexité que ceux issus de la voie classique, mais les résultats récents concernant les thiopeptides antibiotiques constituent un contre exemple éloquant. En effet, contrairement à ce qui était envisagé jusqu’alors, quatre équipes de recherche ont montré très récemment et quasi simultanément que les thiopeptides antibiotiques provenaient uniquement de peptides linéaires encodés génétiquement et synthétisés par les ribosomes, subissant par la suite un nombre de modifications post-traductionnelles encore jamais mis en évidence.
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Table des matières
Introduction générale
A. Les thiopeptides antibiotiques
♦ Origines et structure
♦ Biosynthèse des thiopeptides antibiotiques
♦ Propriétés biologiques des thiopeptides antibiotiques
B. Etude bibliographique des principales méthodes de synthèse des thiopeptides antibiotiques de la série d
I. Méthodes de synthèse des dipeptides azoliques
I.1. Cyclisation de précurseurs linéaires
I.2. Fonctionnalisation de dérivés azoliques par voie organométallique
I.3. Fonctionnalisation de dipeptides azoliques par voie organométallique
II. Méthodes de synthèse des cœurs hétérocycliques pyridiniques des thiopeptides antibiotiques de la série d
II.1. Préparation des cœurs hétérocycliques pyridiniques des thiopeptides antibiotiques de la série d par formation du noyau pyridinique
♦ Obtention des cœurs des thiopeptides antibiotiques de la série d par une réaction clé de cyclocondensation
♦ Obtention des cœurs des thiopeptides antibiotiques de la série d par une réaction clé de cycloaddition
II.2. Méthodes de synthèse des cœurs pyridiniques des thiopeptides antibiotiques de la série d par fonctionnalisation d’un précurseur pyridinique
C. Analyse bibliographique et projet de thèse
I. Bilan et analyse bibliographique des méthodes de synthèse actuelles des thiopeptides antibiotiques de la série d
II. Projet de thèse
CHAPITRE 1 Etude de nouvelles méthodologies d’hétéroarylation directe pallado-catalysée des liaisons C-H et C-Br en séries thiazole-4-carboxylate et
2-cétothiazole
A. Introduction : Bilan bibliographique des méthodes modernes de construction de motifs biaryliques par couplage croisé
B. Etude de l’arylation et de l’hétéroarylation directe en série thiazole-4-carboxylate
I. Contexte de l’étude
II. Etude de l’arylation directe régiosélective en série thiazolique
II.1. Arylation et hétéroarylation directe régiosélective du thiazole
II.2. Arylation et hétéroarylation directe en série thiazolique monosubstituée sur la position 2
III. Etude de l’arylation et de l’hétéroarylation directe régiosélective en série thiazole-4- carboxylate
III.1. Etude préliminaire de la phénylation directe régiosélective du thiazole-4-carboxylate de méthyle (1)
III.2. Etude préliminaire de la phénylation directe régiosélective du thiazole-4-carboxylate de tert-butyle (5)
III.3. Arylation directe régiosélective du thiazole-4-carboxylate de tert-butyle (5) avec une large gamme de partenaires aromatiques halogénés
III.4. Etude de l’hétéroarylation directe régiosélective du thiazole-4-carboxylate de tertbutyle (5) avec une large gamme d’hétéroaryles halogénés
IV. Conclusion
C. Evaluation des dérivés 4-bromo-2-cétothiazoles dans une séquence de borylationcouplage de Suzuki-Miyaura
I. Contexte général de l’étude
II. Etude bibliographique des méthodes de borylation palladocatalysées d’(hétéro)aromatiques halogénés
III. Etude d’une nouvelle méthodologie d’hétéroarylation en série 4-bromo-2-cétothiazole selon un séquence borylation/couplage de Suzuki-Miyaura (BSC)
III.1. Synthèse du 4-bromo-2-acétylthiazole (23) et du 4-bromo-2-propionylthiazole (24)
III.2. Etude préliminaire de borylation de 4-bromo-2-cétothiazoles (23) et (24)
III.3. Généralisation de la méthodologie d’hétéroarylation des 4-bromo-2-cétothiazoles
IV. Conclusion et perspectives
D. Conclusion et perspectives des méthodes d’hétéroarylation en série thiazolique développées
CHAPITRE 2 Etude d’une nouvelle stratégie générale d’accès à plusieurs cœurs pyridiniques des thiopeptides antibiotiques de la série d par application des méthodologies d’hétéroarylation directe en série thiazole-4-carboxylate et 4-bromo-2-cétothiazoles
A. Introduction : Développement d’une nouvelle stratégie générale d’accès à plusieurs cœurs azolylpyridiniques des thiopeptides antibiotiques de la série d, les micrococcines et les amythiamicines
B. Etude d’une nouvelle stratégie d’accès aux cœurs pyridiniques de plusieurs familles de thiopeptides antibiotiques de la série d, les micrococcines et les amythiamicines et les GE2
I. Etude de l’accès aux intermédiaires communs 6-chloro-5-(4-carboxythiazolyl)-picolinates d’alkyles
I.1. Etude de l’hétéroarylation directe du thiazole-4-carboxylate de tert-butyle 5 avec le 5- bromopicolinate de méthyle
I.2. Etude de l’accès aux intermédiaires clés 6-chloro-5-(4-carboxythiazolyl)-picolinates d’alkyles
II. Etude de la construction des unités 4-carboxythiazolique et 4-carboxy-bis-thiazolique à partir de la fonction ester éthylique de l’intermédiaire 6-chloro-5-(4-carboxythiazolyl)- picolinate d’éthyle (56) par réaction de Hantzsch
II.1. Introduction
II.2. Synthèse du 6-chloro-5-(4-carboxythiazolyl)-thiopicolinamide (58)
II.3. Synthèse de l’-bromo-2-acétylthiazole-4-carboxylate d’éthyle (61)
II.3. Etude de la condensation de type Hantzsch du dérivé thioamide (58) avec le bromopyruvate d’éthyle et l’-bromo-2-acétylthiazole-4-carboxylate d’éthyle (61) pour la construction des unités 4-carboxythiazolique et 4-carboxy-bis-thiazolique
III. Etude du couplage de 2-cétothiazole avec les intermédiaire thiazolylchloropyridiniques : Accès au micrococcinate de tert-butyle éthyle, à un thio-analogue du sulfomycinamate et à un intermédiaire de synthèse clé d’accès aux cœurs de plusieurs familles de thiopeptides antibiotiques de la série d
IV. Etude de l’accès aux cœurs des amythiamycines et des GE2270
C. Conclusion
Conclusion générale
Partie Expérimentale
Annexes
