Mimes mono- et oligosaccharidiques bactériens : synthèse totale et applications

Cloutier, Maude (2023). Mimes mono- et oligosaccharidiques bactériens : synthèse totale et applications Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 688 p.

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Résumé

Les glucides sont ubiquitaires chez les organismes vivants et occupent un rôle crucial dans de nombreux processus biologiques. Cette classe de composés présente donc un fort potentiel pour le développement de nouvelles avenues thérapeutiques, prophylactiques, ou diagnostiques. Différents composés glycosidiques sont d’ailleurs déjà utilisés en tant qu’agents thérapeutiques et prophylactiques, notamment en tant que vaccins glycoconjugués, agents anticancéreux, ou antibiotiques, pour ne nommer que quelques exemples. Dans ce contexte, la chimie de synthèse constitue un outil de taille pour l’accès à des composés saccharidiques bioactifs de structure optimisée et sous forme pure et homogène. Les travaux rapportés dans la présente thèse s’inscrivent ainsi dans un programme de recherche visant à développer des voies de synthèse donnant accès à des composés glycosidiques comme agents thérapeutiques ou prophylactiques potentiels.

Dans un premier temps, nous rapportons la synthèse du glucolipide ananatoside B et de son analogue 6-O-macrolactonisé ananatoside A, naturellement produits par la bactérie Pantoea ananatis, ainsi que de dérivés rhamnolipidiques macrolactonisés non-naturels. Inspirés du potentiel thérapeutique de macrolides glycosidiques et des rhamnolipides, ainsi que de l’activité tensioactive de ces derniers, nous avons postulé que ces composés synthétiques pourraient être bioactifs et tensioactifs. Nos travaux montrent que l’ananatoside B possède des propriétés tensioactives similaires aux rhamnolipides, et que les macrolactones sont cytotoxiques et hémolytiques, suggérant un mécanisme impliquant la formation de pores dans la membrane cellulaire. Nous montrons également que nos composés synthétiques sont reconnus par le système immunitaire de plants Solanum lycopersicum, suggérant que ce type de composés pourrait trouver application dans le domaine agroalimentaire.

La seconde partie de cette thèse porte quant à elle au développement de vaccins synthétiques contre Burkholderia pseudomallei et Burkholderia mallei, deux bactéries à Gram négatif causant la mélioïdose et la morve, respectivement, et considérées comme de potentielles armes bioterroristes. L’antigène-O du lipopolysaccharide de ces bactéries est un antigène prometteur pour le développement de vaccins. Nous rapportons la synthèse totale de tétrasaccharides formés d’unités 6-désoxy-L-talose et D-glucose mimant les épitopes majoritaires de cet antigène-O via une approche de glycosylations itératives. Les tests d’antigénicité réalisés montrent que ces tétrasaccharides synthétiques miment étroitement l’antigénicité du lipopolysaccharide natif de B. pseudomallei, suggérant que ces composés constituent des candidats prometteurs pour le développement de vaccins et/ou d’outils diagnostiques contre ces bactéries.

La troisième partie de cette thèse porte sur le développement de composés prophylactiques contre la bactérie encapsulée Campylobacter jejuni à l’origine de la campylobactériose. Compte tenu de sa grandissante résistance aux antibiotiques et de son association au syndrome de Guillain-Barré, beaucoup d’efforts sont investis envers le développement de vaccins contre cette bactérie, notamment à base de son polysaccharide capsulaire. Notre objectif principal consistait ainsi en la synthèse de mimes disaccharidiques du polysaccharide capsulaire de C. jejuni HS:4c, la souche à l’origine de la majorité des infections à C. jejuni. L’unité répétitive de son polysaccharide capsulaire est un disaccharide de structure [→3)-6-désoxy-β-D-ido-heptopyranoside-(1→4)-2-désoxy-2-acétamido-β-D-glucopyranoside-(1→] non-stoechiométriquement substitué de groupements méthyl phosphoramidate. L’accès à des sucres de configuration ido étant non-triviale, nous nous sommes d’abord intéressés à leur synthèse. Dans un premier temps, nous rapportons ainsi nos travaux portant sur l’optimisation d’une méthode de synthèse de sucres de configuration D-ido. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la synthèse de 1,2-cis-β-idosides, tels que présents au sein du polysaccharide capsulaire de C. jejuni HS:4c. Or, au cours de nos travaux visant à développer une méthode de β-idosylation, nous avons découvert un phénomène d’épimérisation d’acétals de benzylidène (S)→(R) concomitant à un changement conformationnel 4C1→1C4 spécifique aux β-D-idopyranosides 3-O-acylés. Nous rapportons ainsi une étude de glycosylation combinée à des expériences de résonance magnétique nucléaire et à de la modélisation moléculaire mettant en évidence différents aspects mécanistiques derrière ce phénomène unique aux β-D-idosides. Nous montrons également que nos conditions d’idosylation sont β-stéréosélectives en présence d’accepteurs aliphatiques, mais plutôt α-stéréosélectives lorsque des accepteurs glycosidiques sont employés. À la suite de cette étude, nous avons ainsi poursuivi notre investigation des réactions de β-idosylation afin d’accéder à des disaccharides mimant le polysaccharide capsulaire de C. jejuni HS:4c. Nous rapportons donc une étude de glycosylation extensive montrant que des idosylations β-stéréosélectives sont à portée de main via des approches intra- et intermoléculaires. Nous montrons également que la configuration 6-désoxy-ido-hepto spécifique à C. jejuni HS:4c peut être accédée via une homologation C6→C7 médiée par une réaction de type MOM-Wittig. Ces travaux frayent le chemin à la synthèse totale de mimes du polysaccharide capsulaire de C. jejuni HS:4c et pourraient devenir la première validation de principe d’un vaccin synthétique à base de sucre contre ce pathogène bactérien.

Dans l’ensemble, nos travaux mettent en évidence le potentiel de la chimie de synthèse pour le développement de composés glycosidiques dotés d’activités thérapeutiques et prophylactiques et ouvrent la voie à la découverte de nouvelles molécules bioactives.

Carbohydrates are found ubiquitously in living organisms and play a crucial role in many biological processes. This class of compounds therefore has great potential for the development of new therapeutic, prophylactic or diagnostic avenues. Various glycosidic compounds are already used as therapeutic and prophylactic agents, such as glycoconjugate vaccines, anticancer agents, or antibiotics, to name a few examples. In this context, synthetic chemistry is a major tool to access bioactive saccharide compounds with an optimized structure and in pure and homogeneous forms. The work reported in this thesis is thus part of a research program aimed at developing synthetic routes giving access to glycosidic compounds as potential therapeutic or prophylactic agents.

First, we report the synthesis of the glucolipid ananatoside B and its 6-O-macrolactonized analog ananatoside A, naturally produced by the bacterium Pantoea ananatis, as well as non-natural macrolactonized rhamnolipid derivatives. Inspired by the therapeutic potential of glycosidic macrolides and rhamnolipids, as well as the surfactant activity of these latter, we hypothesized that these synthetic compounds could be bioactive and tensioactive. Our work shows that ananatoside B has surfactant properties similar to rhamnolipids, and that macrolactones are cytotoxic and hemolytic, suggesting a mechanism involving the formation of pores in the cell membrane. We also show that our synthetic compounds are recognized by the immune system of Solanum lycopersicum, suggesting that this type of compound could find application in the agri-food industry.

The second part of this thesis focuses on the development of synthetic vaccines against Burkholderia pseudomallei et Burkholderia mallei, two Gram-negative bacteria causing melioidosis and glanders, respectively, and considered as potential bioterrorist weapons. As the lipopolysaccharide O-antigen of these bacteria is a promising antigen for vaccine development, we report the total synthesis of tetrasaccharides formed of 6-deoxy-L-talose and D-glucose units mimicking the major epitopes of this O-antigen via an iterative glycosylation approach. Antigenicty assays show that these synthetic tetrasaccharides closely mimic the antigenicity of B. pseudomallei native lipopolysaccharide, suggesting that these compounds constitute potential candidates for the development of vaccines and/or diagnostic tools against both bacteria.

The third part of this thesis focuses on the development of prophylactic compounds against the encapsulated bacterium Campylobacter jejuni, which causes campylobacteriosis. Considering its growing resistance to antibiotics and its association with Guillain-Barré syndrome, efforts are invested in the development of vaccines against this bacterium, particularly vaccines based on its capsular polysaccharide. Our main goal therefore consisted in the synthesis of disaccharide mimics of C. jejuni HS:4c capsular polysaccharide, which is the strain at the origin of most of C. jejuni infections. The repeating unit of its capsular polysaccharide is a disaccharide of structure [→3)-6-deoxy-β-D-ido-heptopyranoside-(1→4)-2-deoxy-2-acetamido-β-D-glucopyranoside-(1→] non-stoichiometrically modified with methyl phosphoramidate groups. Access to ido-configured sugars being non-trivial, we were first interested in their synthesis. We thus first report our work on the optimization of a synthetic method enabling access to D-idosides. We were then interested in the synthesis of 1,2-cis-β-idosides, as found in the capsular polysaccharide of C. jejuni HS:4c. However, throughout our work aimed at developing a method of β-idosylation, we discovered a phenomenon of (S)→(R) epimerization of benzylidene acetals concomitant with a 4C1→1C4 conformational change specific to 3-O-acetylated β-D-idosides. We thus report a glycosylation study combined with nuclear magnetic resonance experiments and molecular modeling, highlighting different mechanistic aspects behind this unique phenomenon specific to 3-O-acylated β-D-idosides. We also show that our idosylation conditions are β-stereoselective in the presence of aliphatic acceptors but are instead α-stereoselective when glycosidic acceptors are employed. Following this study, we pursued our investigation of β-idosylation reactions as to access disaccharides mimicking the capsular polysaccharide of C. jejuni HS:4c. We therefore report an extensive glycosylation study showing that β-stereoselective idosylations are within reach via intra- and intermolecular approaches. We also show that the 6-deoxy-ido-hepto configuration specific to C. jejuni HS:4c can be accessed via a C6→C7 homologation mediated by a MOM-Wittig-type reaction. Overall, this work paves the way for the total synthesis of C. jejuni HS:4c capsular polysaccharide mimics and could become the first proof-of-concept of a synthetic sugar-based vaccine against this pathogen.

Overall, our work highlights the potential of synthetic chemistry for the development of glycosidic compounds with therapeutic and prophylactic activities and paves the way for the discovery of novel bioactive molecules.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Gauthier, Charles
Mots-clés libres:	glucides; oligosaccharides,; synthèse; glycosylation; agents thérapeutiques; agents prophylactiques; carbohydrate; synthesis; therapeutic agents; prophylactic agents
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	26 févr. 2025 16:05
Dernière modification:	26 févr. 2025 16:05
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16341

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