Synthèse et optimisation de séquences de poly(phosphodiester)s à haute capacité de stockage d’information et à lecture facilitée

Synthesis and optimisation of poly(phosphodiester)s sequences with high information storage capacity and easy reading

• Auteur / Autrice : Eline Laurent
• Direction : Jean-François Lutz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des polymères
• Date : Soutenance le 05/11/2020
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Sadron (Strasbourg ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Donnio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Charles, Marc-André Delsuc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathias Destarac, Sophie Guillaume

Mots clés

Mots clés contrôlés

Macromolécules

Polymères

Mots clés libres

Polymères à séquence contrôlées

Macromolécules contenant de l’information

Chimie de la phosphoramidite automatisée

Haute capacité de stockage

Sequence-controlled polymers

Information-containing macromolecules

Automated phosphoramidite chemistry

High capacity of storage

Résumé

Cette thèse porte sur la synthèse de poly(phosphodiester)s numériques. Ces polymères non-naturels sont créés à l’aide d’un alphabet de monomères permettant d’écrire un message binaire à l’échelle moléculaire. Ces polymères sont lus par une analyse de spectrométrie de masse de type peuso-MS3. Une optimisation du design de ces séquences a été effectuée. Des polymères à haute capacité de stockage ont ainsi été synthétisés. Tout d’abord, des alphabets augmentés compatibles avec la chimie de la phosphoramidite ont été créés. Ils contiennent 4 et 8 symboles et permettent respectivement de coder 2 et 3 bits/monomère, ce qui augmente considérablement la densité de stockage d’un monomère par rapport aux systèmes décrits au préalable. De plus, la lecture des données encodées a été facilitée grâce à l’utilisation d’un espaceur optimisé dont la structure a été élaborée avec nos collaborateurs. Le design comprenant un motif benzyle en chaîne principale a été validé par à la synthèse de séquences modèles et de séquence plus complexes codant de l’information. Finalement, l’utilisation simultanée des alphabets augmentés et de l’espaceur optimisé a permis la synthèse de longues séquences numériques. Pour augmenter encore plus la capacité de stockage de ces séquences, des outils informatiques ont été utilisés pour compresser le message. Pour permettre la lecture de cette longue séquence, l’utilisation de dix marqueurs moléculaires a été nécessaire. Ils ont pour but d’aider lors de l’analyse par spectrométrie de masse. Une étude a permis de trouver lesquels étaient optimaux pour la synthèse de ces longs polymères numériques. Grâce à l’utilisation du design optimisé développé durant cette thèse, il a été possible de synthétiser et de décrypter un poly(phosphodiester) numérique contenant 441 bits.

This thesis focused on the synthesis of digital poly(phosphodiester)s. These non-natural polymers are built thanks to a monomeric alphabet which enables to write a binary message at the molecular level. These polymers are read by a pseudo-MS3 mass spectrometry analysis. An optimisation of the sequence’s design has been performed. High storage capacity polymers have thus been synthesized.First, extended alphabets which are compatible with the phosphoramidite chemistry were developed. They are composed of 4 or 8 symbols and they code respectively 2 and 3 bits/monomer. These new alphabets extended drastically the density of storage of a unique monomer in comparison with the previously described systems. Secondly, the reading of the encoding data was facilitated thanks to the use of an optimized spacer. Its structure was designed with our co-workers and involve a benzyl moiety in the main chain. It was validated by the synthesis of model sequences and more complex sequences which stored information. Finally, the simultaneous use of extended alphabets and the optimized spacer lead to the synthesis of long digital sequences. To further increase the storage capacity of these sequences, computational tools were used to compress the message. To achieve the sequence’s reading, ten molecular tags were required. They are used to help during the mass spectrometry analysis. A study enabled to find which tags were ideal for the synthesis of long digital polymers. The optimized design developed during this Ph.D., enabled the synthesis and the deciphering of a digital poly(phosphodiester) containing 441 bits.