Capteurs fluorescents à base de fluorène : nouvelles perspectives en synthèse et applications pour le marquage des acides nucléiques et en imagerie de la membrane cellulaire

Fluorene-based fluorescent markers : new insights in synthesis and applications into labeling of nucleic acids and imaging of cell membranes

• Auteur / Autrice : Janah Shaya
• Direction : Alain Burger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 21/09/2016
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie (Nice) - Institut de Chimie de Nice
• Jury : Président / Présidente : Michael Smietana
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Burger, Michael Smietana, Alexander P. Demchenko, Rodolphe Jazzar, Benoît Michel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Smietana, Alexander P. Demchenko, Rodolphe Jazzar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acides nucléiques

Lipides

Membrane cellulaire

Biocapteurs

Colorants -- Chimie

Mots clés libres

Fluorène

Push-pull colorant

Palladium

CuAAC

Biocapteurs

Membranes

Lipides

Acides nucléiques

Fluorene

Push-pull dye

Palladium

CuAAC

Biosensor

Membrane

Lipids

Nucleic acids

Résumé

Le développement de nouvelles voies synthétiques permettant l’accès à des sondes à applications biologiques connaît un intérêt accru. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans ce cadre. Ils portent particulièrement sur les colorants « Push-pull » qui se caractérisent par leur sensibilité aux changements de leur environnement, leur faible cytotoxicité et leur photostabilité élevée. En outre, la synthèse de ces fluorènes est très exigeante. Nos travaux ont abouti à : 1) Des approches synthétiques concises pour accéder à des composés aromatiques aminés difficiles à synthétiser, celles-ci via des systèmes Pallado-catalysés optimisés impliquant une amination sélective et une synthèse séquentielle en « one pot », 2) La synthèse d'une bibliothèque vaste de fluorènes avec la diversification des groupements accepteur et donneur. 3) Des relations structure- propriétés photophysiques. 4) La synthèse de trois colorants avancés engendrant la première sonde de fluorènes spécifique aux membranes : un outil puissant pour étudier la structure et les dynamiques biophysiques de ces membranes. Le colorant optimal surpasse les caractéristiques des sondes couramment utilisées montrant : une absorption décalée vers le rouge attenant 405 nm en diode laser, une luminosité plus élevée diminuant la concentration du colorant pour la coloration de ~ 10-15 fois, une haute photo-stabilité, une forte sensibilité aux domaines liquides des membranes des cellules. 5) La Synthèse de 4 phosphoramidites marqués et leurs incorporations dans les oligonucléotides attestant une grande sensibilité aux milieux protiques et au pH. En duplex d'ADN, le colorant est efficace pour la différenciation des bases opposées. Une application du marqueur d'ADN fluorescent l’a testé comme un donneur pour le déplacement de Stokes dans une paire de FRET émissive en combinaison avec l’accepteur Dy681. Le FRET a démontré une augmentation ratiométrique dans la région proche infrarouge avec un décalage de 300 nm

Extensive research focuses on finding straightforward synthesis and prospective probes for biological applications. Push-pull dyes are of particular interest for various uses as biosensors for membranes and nucleic acids. These dyes are highly responsive to changes of their environments. Specifically, push-pull fluorenes exhibit low cytotoxicity and high photostability, but are not yet reported in the two mentioned applications. Furthermore, their synthesis is highly demanding. In this context, our work presents: 1) Step-economic and concise approaches to access challenging aminoaromatics via optimized air-stable Pd catalytic systems involving selective mono/di-amination and sequential one-pot synthesis, 2) Synthesis of a fluorene library varying the acceptor and the donor groups, 3) Structure-photophysics relationships, 4) Synthesis of three advanced dyes and concluding the first plasma membrane-specific fluorene probe that can be a powerful tool for studying the structure and biophysical dynamics of membranes. The optimal dye surpasses the features of commonly used probes showing: red-shifted absorption matching the 405 nm diode laser, higher brightness decreasing the dye concentration for staining by ~10-15 folds, high photostability, comparably strong sensitivity to liquid domains of cell membrane, and 5) Synthesis of 4 fluorene-labeled phosphoramidites and their site-specific ODN incorporations evidencing high sensitivity to protic media and pH. Labeled sequences exhibited a far-red emission with modest quantum yields in line with their strong charge transfer character. In DNA duplexes, the dye efficiently base-discriminated opposite cytidine and thymidine. A preliminary application of the DNA fluorescent marker involved testing it as a mega-Stokes shift donor in an emissive FRET pair in combination with Dy681 acceptor. The FRET demonstrated a ratiometric turn-on in NIR region with a shift of 300 nm