Thématiques de Recherche

Les activités de recherche de l’équipe BSMA sont historiquement orientées vers la conception, la synthèse et l’évaluation biologique de molécules d’intérêt thérapeutique. L’équipe BSMA est partenaire de la SFR CAP-Santé, impliquée dans les axes « progression tumorale », « vieillissement et réparation » et « neurosciences », ainsi que de la SFR Condorcet, au travers du volet « valorisation d’agroressources ».

La chaîne de valeurs de l’équipe BSMA (Biomolécules : Synthèses et Mécanismes d’Action) couvre, comme son nom l’indique :

- des implications marquées dans la valorisation d’agroressources d’intérêt régional (utilisation d’hydrates de carbone tels que L-Arabinose, D-Xylose, L-Sorbose et lévoglucosénone, ou encore de l’acide lévulinique,…) ;

- le développement de nouvelles approches pour accéder à des squelettes rencontrés dans des structures naturelles (par exemple systèmes poly(hétéro)cycliques) ;

- l’analyse sophistiquée (interaction avec la plateforme PlAneT et l’équipe CSN) afin de mettre en évidence des subtilités structurales, notamment dans l’étude de conformations de motifs nucléotidiques ou d’entités présentant des propriétés d’atropoisomérie ;

- la synthèse à façon d’inhibiteurs spécifiques ciblant des enzymes d’intérêt, notamment à finalités anti-tumorales, anti-inflammatoires… ;

- l’élaboration de nouveaux outils de Modélisation Moléculaire pour identifier, caractériser et quantifier les interactions moléculaires, mais aussi un volet applicatif transversal support des études expérimentales, que ce soit en amont, pour des approches prédictives par dynamique moléculaire ou de docking (drug design), ou en aval, pour la compréhension de mécanismes réactionnels via des calculs quantiques.

1 – Implications en valorisation des agroressources et en environnement

Consciente de la nécessité de participer à une évolution des concepts pour contribuer à la transition énergétique (remplacement du carbone fossile), l’équipe BSMA porte attention à l’utilisation :

- des hydrates de carbone dans diverses synthèses : D-Xylose et dérivés pour diverses applications, DMDP à partir du L-Sorbose (Figure 1), rhamnolipides bioinspirés pour des activités élicitrices (voir paragraphes 3 et 7 pour plus d’informations),

- de l’acide lévulinique : élaboration de ligands des récepteurs sérotoninergiques (Figure 2) pour des applications tournées vers des secteurs à moyenne ou haute valeur ajoutée,

Cette attention se formalise notamment par la participation à un article général sur les activités de l’ICMR dans la chimie des matériaux, la chimie fine, l’agrochimie, la santé et les cosmétiques,1 mais également par la proposition de méthodes de dépollution vis-à-vis de pesticides présents dans les aquifères (extraction par partage centrifuge avec des liquides ioniques dérivés de bétaïne biosourcée, Figure 3),2 ou la participation au champ énorme d’investigation des dérivés de la lignine (conception d’un modèle trimérique pour étudier la dégradation de la lignine, Figure 4).3

Figures 1 à 4

De nombreux travaux sont menés en collaboration avec l’UMR 614 INRA/FARE (Fractionnement des Agroressources et Environnement, Pr. C. Rémond), notamment en utilisant le D-Xylose et le L-Arabinose comme molécules plateformes issues de la biomasse lignocellulosique. Les travaux consistent à développer des voies de synthèse enzymatique ou chimio-enzymatique rapides et efficaces pour accéder à des molécules à haute valeur ajoutée pour différentes applications.

Par exemple, de nouveaux liquides ioniques dérivés de beta-D-xylosides et xylobiosides (Figure 5)4 ont été obtenus via des réactions de transglycosylation enzymatique à partir de xylanes. Ces liquides ioniques possèdent une structure anionique amphiphile modulable avec des cations tétraalkylphosphoniums ou tétraalkylammoniums. Ce travail avait pour objectif de produire des liquides ioniques « plus verts » à partir de ressources renouvelables mais aussi d’évaluer comment les propriétés physicochimiques des liquides pouvaient varier en fonction des différentes associations anions/cations. Après une réaction de « click chemistry », les propargyl xylosides et xylobiosides ont permis d’obtenir des initiateurs de la biosynthèse de glycosaminoglycanes (actifs sur des lignées cellulaires ovariennes pgsA-745 déficientes en xylosyltransférase, Figure 6).5 Un travail exploratoire de mutation sur le sous-site aglycone d’une xylanase pour améliorer la réaction de transglycosylation en présence d'accepteurs aromatiques a permis d’identifier un mutant (W126A) plus efficace (Figure 7).6

Figure 5
Figure 6
Figure 7

En utilisant une lipase supportée, des esters lauriques de D-Xylose et L-Arabinose (Figure 8),7 et également de xylo-oligosaccharides (xylobiose à xylotétraose) (Figure 9) ont été préparés8 et leurs structures respectives déterminées. Ces esters lauriques présentent des propriétés physico-chimiques intéressantes, en particulier pour ce qui concerne les concentrations critiques d’agrégation (surfactants verts).

Figures 8 et 9

Cette collaboration active avec l’UMR FARE se poursuit au sein du projet transfrontalier Interreg ValBran dédié à la valorisation du son de blé, co-produit agricole abondant, par le développement de voies biotechnologiques et de chimie verte respectueuses de l’environnement pour la production de molécules tensio-actives à haute valeur ajoutée (https://www.valbran.eu/fr).

2 – Biomolécules et extraits de plantes

Le contenu de diverses huiles végétales est un marqueur hautement fiable pour définir leurs origines.9 Par exemple, l’analyse de la composition de l’huile d’argan (concernant 11 métaux lourds et différents éléments diététiques), traditionnellement utilisée en tant qu’ingrédient alimentaire intéressant pour la santé ainsi que dans les industries cosmétiques, a été investiguée par spectroscopie d’émission atomique, les trois procédés extractifs (traditionnel, mécanique, par solvant) ne révélant pas de variations significatives (Figure 10).10

Figure 10

Trois études analogues, menées sur des huiles de sésame issues de plantes cultivées au Yémen (Figure 11),11 des graines de cumin,12 et des graines de Lawsonia inermis, ces deux dernières venant de différentes régions du Maroc (Figure 12),13 permettent d’attester de leur qualité nutritionnelle et de leur adéquation avec les normes en vigueur et mettent en évidence une haute reproductibilité après trois ans de conservation (groupes physico-chimiques identifiés avec des contenus en métaux potentiellement toxiques très faibles,11 en acide pétrosélinique12 ou en phytostérols,13 mis en corrélation avec des origines géographiques déterminées).

Figure 11 et 12

L’association de toutes ces informations a ensuite montré que le contenu en étain se révèle être un marqueur identitaire potentiel pour discriminer les huiles d’argan, d’olive, de sésame, de moutarde, de maïs, de cacahuète et de tournesol. Ainsi, cette mesure recommandée certifie l’authenticité d’une huile d’argan.14

Inspirés de ces travaux analytiques, les contenus de miels15 et cafés16 yéménites permettent d’identifier à long terme l’origine botanique des échantillons (144 miels pour 5 espèces végétales issues de 4 zones géographiques ; 16 cafés collectés auprès de 8 producteurs pour comparer avec les cafés éthiopiens). En ce qui concerne les cafés, la haute teneur en calcium caractérise les cafés yéménites.

L’espèce Albizia est un arbre à feuillage caduc de la famille des fabacées. Des études de RMN (DEPT, COSY, TOCSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC) de différentes variétés médicinales d’origine camerounaise montrent que ces arbres sont sources de nombreuses saponines triterpéniques induisant l’apoptose de cellules cancéreuses (les glaberrimosides A, B et C isolés d’Albizia glaberrima (Figure 13),17 les chevalierosides A, B et C d’Albizia chevalieri (testées sur monocytes hématopoïétiques THP-1),18 ces 6 dernières structures étant testées sur carcinomes pancréatiques AsPC-1, les zygiaosides A, B, C et D d’Albizia zygia,19,20 les gummiferaosides D et E d’Albizia gummifera,21 et les adianthifoliosides G, H et I d’Albizia adianthifolia,22 ces 9 dernières structures étant testées sur cellules cancéreuses de l’épiderme humain A431).

Figure 13

3 – Synthèses et Mécanismes d’Action / hydrates de carbone

Extension de notre implication forte dans le domaine de la valorisation des hydrates de carbone, de nombreuses contributions se sont concrétisées par un livre (Figure 14) et un chapitre de livre,23,24 ainsi que par la mise en place d’un outil interactif en ligne d’aide à la décision pour identifier les relations stéréochimiques entre sucres ainsi que les raccourcis synthétiques (Figure 15).25

Figures 14 et 15

D’autres projets reliés à notre expertise concernant la synthèse chimique de xylosides fonctionnalisés avec toujours en toile de fond la transformation et la valorisation d’agromolécules sont en cours de développement.

Des allènes chiraux substitués (par des groupements de type alkyle, silyle ou aryle) pouvant servir de « building blocks » en synthèse organique ont été ainsi préparés de façon diastéréosélective à partir de propargyl xylosides (Figure 16). Des calculs DFT en collaboration avec le Dr. Y. Gimbert (Univ. Grenoble) ont permis de mettre en évidence les différents intermédiaires réactionnels (Figure 17) et le mécanisme stéréosélectif lors de la formation de ces allènes.26 La préparation de phospholes chiraux dérivés de xylosides a également été initiée pour des applications en catalyse homogène énantiosélective (collaboration M. Ogasawara, Univ. Tokushima, Japon).

Figure 16
Figure 17

Des xylosides fonctionnalisés avec une fonction ester ont été transformés en ligands pour la complexation de cations métallique (Au, Fe…) pour des applications en catalyse ou dans le domaine biologique avec la conception d’inhibiteurs d’enzymes originaux (collaboration J. Devy, MEDyC, UMR 7369). L’incorporation de la partie xyloside vise à conférer à ces complexes métalliques une meilleure biodisponibilité, une solubilité contrôlée et des propriétés spécifiques de reconnaissance dans l’organisme (Figure 18).27

Figure 18

En collaboration avec l’URD ABI AgroParisTech, le (S)-gamma-hydroxyméthyl-alpha,beta-buténolide (HBO), obtenu à partir de la lévoglucosénone issue de la cellulose (renouvelable et aisément accessible), a été valorisé, notamment pour proposer des accès à des dérivés de la D-(+)-ribonolactone (Figure 19).28 Ce dérivé offre également des opportunités attrayantes pour des applications en tant qu’additif, principe actif, composé d’intérêt alimentaire et cosmétique, tout ceci dans un contexte de chimie verte (Figure 20).29

Figures 19 et 20

Dans le but de mieux appréhender les phénomènes mis en jeu au sein de motifs nucléotidiques, des études de relations structures/activités, enrichies d’approches de RMN ciblées, ont permis de préciser l’importance du positionnement de groupes substituants (exemple de l’atome de fluor en position C2’, Figure 21)30 et de définir les entités GNA comme des ancêtres prébiotiques très probables, en raison de leur photo-robustesse liée à l’empilement de bases intrabrins (Figure 22).31 Ces travaux revêtent une grande importance pour la lutte anti-tumorale.

Figures 21 et 22

4 – Synthèses et Mécanismes d’Action / études RMN

Riche de l’interaction avec l’équipe CSN, des études de RMN hétéronucléaire de petites molécules en mélange dans des solvants visqueux apportent une solution à l’extraction des spectres individualisés (Figure 23),32 tandis que l’étude de phénomènes d’atropoisomérie à des températures variables, couplée à des calculs de DFT (Modélisation Moléculaire), permet de déterminer les énergies d’activation de ces échanges conformationnels (influences du positionnement d’un groupement méthyl, Figure 24, de la substitution en ortho, Figure 25, ainsi que de stabilisations intramoléculaires Pi/Pi et CH/Pi, ou OH/Pi versus CH/OH, Figure 26).33,34,35

Figures 23 à 26

5 – Synthèses et Mécanismes d’Action / inhibitions enzymatiques

La finalité thérapeutique de l’équipe BSMA se révèle motrice de plusieurs thématiques avec une interaction forte entre synthèses, Modélisation Moléculaire et évaluations biologiques, révélant, par exemple, les activités inhibitrices de nombreuses pyridazinones fluorées sur la PDE4, cette isoenzyme étant une cible de choix pour le traitement de nombreuses pathologies broncho-pulmonaires (Figure 27).36,37,38

Figure 27

Différentes isoformes de l’anhydrase carbonique humaine (hCA I, II, IX et XII) sont étudiées, dont certaines sont associées à diverses tumeurs agressives (cas des hCA IX et XII). Les activités et spécificités d’inhibiteurs dérivés de benzènesulfonamides sur ces hCA montrent des affinités nanomolaires. Les modélisations in silico mettent en exergue l’importance de positions particulières (Modélisation Moléculaire, Figures 28 et 29).39,40 L’efficacité est conditionnée par la coordination du motif sulfonamide avec le zinc du site actif (Figure 30).41 Récemment, une nouvelle classe de structures de la famille des isothiazolinones, avec un site de fixation extérieur au site actif, laisse penser à un mécanisme différent.42

Figures 28 à 30

La conception, la synthèse et l’évaluation biologique de nouveaux analogues de sucres azotés (iminosucres) et soufrés (thiosucres et sulfoniums dérivés) pour l’inhibition de glycosidases reste une thématique importante de l’équipe. En collaboration avec l’équipe MSO, des iminosucres 1-C-perfluoroalkylés ont été synthétisés pour des activités d’inhibition d’alpha-fucosidase et d’alpha-glucosidase (Figure 31).43

Figure 31

Une nouvelle stratégie d’accès à des thioglycals et thioglycals substitués en position 2 à partir d’un dithioacétal de cétène dérivé du D-Erythrose a été mise au point.44 La fonctionnalisation de ces thioglycals par alkylation de l’atome de soufre intracyclique a conduit à des sulfoniums avec l’objectif de développer de nouveaux inhibiteurs d’alpha-mannosidases (Figures 32 et 33).

Figures 32 et 33

Des expériences de docking quantique réalisées sur une série de sulfoniums synthétisés au laboratoire dans le site actif de la mannosidase II de l'appareil de Golgi sont encourageantes et ont montré un positionnement et des interactions comparables à celles observées dans le cas d'un inhibiteur naturel de la GMII, la swainsonine (Figure 34).

Figure 34

La surexpression de métalloprotéinases matricielles (telles que la MMP-2) autour des tumeurs en fait des cibles potentielles dans la recherche de molécules antitumorales. Le greffage de Q-dots sur un inhibiteur biotinylé apporte une visualisation in vitro, les tests effectués montrant des résultats encourageants (à une concentration nanomolaire, Figures 35 et 36).45

Figures 35 et 36

L’étude des phénomènes épigénétiques (modification de l’expression des gènes sans altération de la séquence nucléique de l’ADN) joue un rôle important dans l’inflammation, un des principaux mécanismes impliqué étant le remodelage de la chromatine via la modification des histones (Figure 37). Puisque l’acétylation des histones est un régulateur majeur de la conformation de la chromatine, et par conséquent de l’expression du gène, les molécules inhibitrices (HDACI) sont étudiées pour essayer d’influencer ce processus, impliqué par exemple dans les dépendances à l’alcool (Figure 38). Les cyclodepsipeptides, pharmacophores modèles pour l’inhibition des HDAC sont constitués de trois éléments : un domaine de reconnaissance de surface (tête), un bras hydrophobe qui occupe le canal de l’enzyme pour atteindre le site catalytique, et un domaine de liaison au métal qui interagit avec l’ion Zn2+ du site catalytique (ZBG, Figures 39 et 40).46,47,48,49,50

Figures 37 et 38
Figures 39 et 40

6 – Synthèses et Mécanismes d’Action / hétérocycles

Le développement de méthodes pour les diagnostics précoces, anticipant le traitement de cancers en contrôlant la libération ciblée de principes actifs (avec suivi en temps réel) est appuyé par la conception de nanocristaux de Q-dots semi-conducteurs conjugués à un ligand de la famille des acridines (Figure 41).51,52

Figure 41

Enfin, très investie dans le domaine des dérivés poly(hétéro)cycliques, l’équipe BSMA développe un procédé de cascade radicalaire incluant une transposition de Smiles, outil synthétique explicité dans une revue des possibilités offertes en chimie organique moderne (Figure 42).53 La première bibliothèque de composés indoloquinoléiques obtenue est notamment évaluée pour ses propriétés antipaludéennes.

Figure 42

7 – Synthèses et Mécanismes d’Action / élicitation

Les rhamnolipides bactériens, spécialement ceux produits par Pseudomonas aeruginosa et Burkholderia plantarii ont démontré des propriétés prometteuses dans de nombreux domaines, notamment liés à l’environnement. Il a été démontré par nos partenaires du SDRP (Stress Défenses et Reproduction des Plantes) que cette famille de composés est capable de stimuler l’immunité des plantes et pourrait potentiellement être utilisé dans des stratégies alternatives de biocontrôle. Nous avons récemment décrit une voie de synthèse de rhamnolipides ainsi que des études de relations structures-activités (Figures 43 à 47).54,55,56,57 Les méthodes employées sont cependant peu respectueuses des principes de la chimie verte, c’est pourquoi nous travaillons actuellement avec l’URD ABI sur une voie s’inscrivant dans une logique de développement durable.

Figures 43 et 44
Figures 45 à 47

8 – Synthèses et Mécanismes d’Action / Modélisation Moléculaire

En appui de projets collaboratifs à l’interface théorie-expérience, nos activités de modélisation moléculaire sont fréquemment appliquées à la compréhension de mécanismes réactionnels (mécanisme d’une séquence originale de Mitsunobu (Figures 48 et 49),58 investigations d’un procédé domino (Figures 50 et 51),59 cascade radicalaire de Smiles,53 ainsi qu’aux systèmes host-guest, plus particulièrement les complexes d’intérêt biologique (Figures 52 et 53).60,61,62,63,64,65

La conception rationnelle via la modélisation moléculaire s'est imposée progressivement en chimie comme un outil de choix pour la découverte et la synthèse orientée de nouvelles molécules actives. Ce volet modélisation renforce la partie expérimentale de l'ICMR, l’accent étant mis ici sur la possibilité d’implanter la mise en œuvre de ces stratégies directement dans l'équipe expérimentale concernée au travers des travaux combinant théorie et expérience. Quatre grandes familles d’outils de la modélisation sont mises en jeu ici :

• Chimie quantique et outils statistiques pour la détermination de profils réactionnels / exploration de surfaces d’énergie potentielle, géométrie et énergie de points stationnaires (minima, états de transition),

Figure 48
Figure 49
Figure 50
Figures 51 et 52
Figure 53

• Mécanique classique et dynamique moléculaire pour l’étude d’objets de dimension biochimique (complexes ligand-récepteur),

• Docking moléculaire (classique et quantique, Figure 54),

Figure 54

• Identification et quantification des interactions chimiques par l’outil IGMPlot développé au laboratoire.

En parallèle du volet applicatif modélisation coordonné aux efforts expérimentaux, un segment plus fondamental de notre activité est tourné vers l’élaboration de nouvelles méthodes et outils théoriques : 66,67,68,69

AlgoGen : un programme pour le docking moléculaire quantique ; en effet, il est parfois essentiel de pouvoir décrire les interactions ligand-protéine au niveau quantique dans le cas de métallo-enzymes, ce que ne permettent pas les outils conventionnels du domaine ; ce programme est développé en collaboration avec le laboratoire CReSTIC de notre université (https://crestic.univ-reims.fr).

IGMPlot : un programme dédié à l’identification et la quantification des interactions moléculaires (Figures 55 et 56), essentielles dans la reconnaissance biomoléculaire ; cet outil est aussi écrit en collaboration avec le laboratoire CReSTIC mais aussi avec le laboratoire LCT (Sorbonne Université) ; http://igmplot.univ-reims.fr; cet outil a été étendu à l’étude des interactions fortes : formations/cassures de liaisons au cours des mécanismes réactionnels.

Figures 55 et 56

Biomolécules : Synthèse et Mécanismes d'Action