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Thèse Année : 2020

Development of dual emissive adenosine analogs for nucleic acid labeling and life sciences

Développement d'analogues d'adénosine à émission duale pour le marquage des acides nucléiques et les sciences du vivant

Hoang Ngoan Le
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1214098
  • IdRef : 253730333

Résumé

Emissive nucleobase analogs have become attractive tools in the chemical biology of nucleic acids. As a rule of thumb, the analogs exhibiting red-shifted absorption and emission wavelengths, good sensitivity and selectivity, while maintaining the base-pairing ability are highly demanded. In this thesis, we report our study on the development of self-calibrated dual-emissive adenosine analogs for labeling nucleic acids and studying their related events. Firstly, a series of conjugates comprising 7-deazadeoxyadenosine (d7A) and 3-hydroxychromone (3HC) dye were synthesized for photophysical characterization. These analogs suffered from low quantum yields in polar protic media, such as methanol, due to a photoinduced electron transfer (PET) reaction. Secondly, a detailed study on the PET reaction was carried out on 3-methoxychromone (3MC) connected to d7A or its 8-aza analog (8d7A). Our investigations revealed that conjugates between d7A and 3MC dyes already formed ground-state complexes at concentrations of the order of nM, which favor the intermolecular PET process. Quenching due to PET can be switched off whether by acidifying the solution or substituting d7A by 8d7A in the conjugate. In continuation of these findings, the free hydroxyl dyes (conjugates between 8d7A and 3HCs) were synthesized for photophysical study. These fluorophores kept as their parent 3HCs, a well-resolved dual emission but showed several improvements such as red-shifted absorption and emission, and superior brightness. Among them, FC8A exhibited the most appropriate properties for incorporation in DNA as its dual emission is strongly sensitive to hydration on a wide range of variation. As a consequence, using solid-phase synthesis, the new label was incorporated in different ODN sequences. The probe displayed a marginal effect on the structure and stability of the labeled DNA duplexes; while dual emission lighted up the DNA sequences with appreciable brightness and good sensitivity to hydration and electron transfer. Interestingly, combining sensitivity to hydration and electron transfer opens new routes for sensing DNA-related events.
Les analogues fluorescents de nucléobases sont devenus des outils attractifs pour la chimie biologique des acides nucléiques. En règle générale, ces analogues ne doivent pas compromettre la capacité intrinsèque des bases complémentaires à s’associer. Ceux présentant des longueurs d'onde d'absorption et d'émission décalées vers le rouge, une bonne sensibilité et sélectivité, tout en conservant la capacité d'appariement des bases sont très recherchés. Parmi eux, les sondes fluorescentes à émission duale stimulent un grand intérêt en raison de leur émission ratiométrique permettant une auto-calibration du signal. Dans cette thèse, nous rapportons le développement d'analogues d'adénosine à émission duale auto-calibrée pour le marquage des acides nucléiques et l'étude de leur comportement au cours de processus biologiques associés. Tout d'abord, une série de conjugués à émission duale – composé d’un nucléoside 7-déazadéoxyadénosine (d7A) et d’un colorant de type 3-hydroxychromone (3HC) – ont été synthétisés en vue de réaliser leur caractérisation photophysique. Ces analogues présentaient le désavantage d’avoir de faibles rendements quantiques dans les milieux protiques polaires, tels que le méthanol. Cette extinction de fluorescence a laissé suggérer l’occurrence d’un mécanisme photoinduit de transfert d’électrons (PET). Ensuite, une étude détaillée de cette réaction de PET a été conduite sur des analogues de d7A et 8-aza-7-déazadéoxyadénosine (8d7A) connectés à une 3-méthoxychromone (3MC). Notre étude a révélé que les conjugués entre d7A et le colorant 3MC formaient déjà des complexes à l'état fondamental à des concentrations de l'ordre du nM, favorisant le processus intermoléculaire de PET. L’annihilation du PET a pu s’effectuer soit en acidifiant la solution, soit en remplaçant dans le conjugué, la nucléobase d7A par son analogue 8-aza (8d7A). Dans la continuité de ces observations, les sondes présentant un groupement 3-hydroxyle libre, FC8A et TC8A (conjugué entre une 8d7A et une 2-(2-furyl)-3HC ou 2-(thiophèn-2-yl)-3HC, respectivement), ont été synthétisés puis caractérisés par photophysique. Ces fluorophores ont conservé deux bandes d’émission bien résolues et ont montré plusieurs améliorations par rapport à leurs parents 3HC, telles qu’une absorption et une émission décalées vers le rouge, ainsi qu’une brillance supérieure. Parmi eux, FC8A a présenté les propriétés les plus appropriées pour une incorporation dans de l'ADN car la forte sensibilité à l’hydratation de son émission duale est corrélée de façon linéaire de 0 à 100 % d’eau. En conséquence, au moyen d’une synthèse sur support solide, le reporter FC8A a été incorporé de façon site-spécifique dans différentes séquences courtes d’ADN. La sonde a montré un effet marginal sur la structure et la stabilité des duplexes d'ADN marqués, tout en maintenant une émission duale avec une brillance appréciable et une bonne sensibilité à l'hydratation et au transfert d'électrons. En définitif, cette combinaison de sensibilité à l'hydratation et au transfert d'électrons ouvre de nouvelles voies pour détecter des évènements biologiques impliquant l'ADN.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03934625 , version 1 (11-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03934625 , version 1

Citer

Hoang Ngoan Le. Development of dual emissive adenosine analogs for nucleic acid labeling and life sciences. Organic chemistry. Université Côte d'Azur, 2020. English. ⟨NNT : 2020COAZ4087⟩. ⟨tel-03934625⟩
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