Objectifs

1.5.4.1 Objectifs généraux et précédents sur le projet

Puisque le fluor possède de nombreuses caractéristiques intéressantes pour son utilisation en spectroscopie RMN pour l’étude de complexes de biomolécules et étant donné que l’incorporation de plusieurs atomes de fluor perturbe significativement les membranes lipidiques, notre objectif consiste en le design de nouveaux phospholipides monofluorés pouvant servir de sonde membranaire en RMN des solides. Afin d’obtenir des informations sur la région hydrophobe des bicouches lipidiques et par souci de simplicité synthétique, il a été choisi d’incorporer un atome de fluor sur la chaîne acyle en position 2 du glycérol de la DMPC et du DMPG, permettant de mimer respectivement les cellules eucaryotes et procaryotes (Figure 1.11).

Figure 1.11. Structure des dérivés monofluorés de la DMPC (F-DMPC) et du DMPG (F-

DMPG).

À la suite du design de ces nouveaux composés, les différentes étapes du projet consistent en leur synthèse, puis en l’étude de leurs propriétés afin d’en valider le potentiel d’utilisation comme sonde membranaire et enfin, leur mise en application. Différentes propriétés peuvent être étudiées par diverses techniques spectroscopiques : spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), RMN, DSC, diffusion dynamique de la

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lumière (DLS), monocouches de Langmuir, microscopie à angle de Brewster (BAM), spectroscopie à réflexion totale atténuée (ATR), microscopie électronique, etc. L’important est d’effectuer une comparaison avec les propriétés du lipide natif correspondant afin d’évaluer si des perturbations sont induites par l’incorporation d’un atome de fluor et si celles-ci sont significatives.

Plusieurs autres éléments du projet sont importants, tel que schématisé à la Figure 1.12. Premièrement, la synthèse d’une banque de lipides monofluorés ayant l’atome de fluor à différentes positions tout au long de la chaîne acyle est envisagée puisque la mise en œuvre de plusieurs sondes membranaires pourrait permettre, par exemple, de mesurer plusieurs distances internucléaires et ainsi, d’évaluer avec plus de précision la position d’une molécule au sein des membranes lipidiques. Deuxièmement, le degré de perturbation induit par le fluor sera évalué pour les lipides monofluorés seuls, mais aussi dans des mélanges à différents rapports entre un phospholipide monofluoré et son analogue non fluoré. Il sera ainsi possible de déterminer le rapport permettant le meilleur compromis entre une faible perturbation membranaire induite par l’atome de fluor et un signal intense en spectroscopie RMN du fluor.

Figure 1.12. Schématisation des nouveaux phospholipides monofluorés (tête polaire

représentée en bleu, position du fluor indiquée en rouge) et des membranes lipidiques modèles partiellement fluorées (lipide monofluoré en bleu, lipide natif en vert).

Ce projet a été amorcé avant mon entrée aux études graduées, les premiers travaux ayant été effectués par Jonathan Guimond-Tremblay au cours de sa maîtrise, entre 2009 et 2011. Ses travaux ont permis la synthèse des trois premiers dérivés monofluorés de la

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DMPC : la 4F, la 7F et la 10F-DMPC. L’effet perturbateur de l’atome de fluor a aussi été évalué par spectroscopie infrarouge, par la mesure de la température de transition de phase des lipides seuls et en mélange avec la DMPC.134 Cette technique a permis de démontrer que l’incorporation d’un seul atome de fluor à la DMPC modifie significativement l’ordre des chaînes acyle des lipides, mais de façon moindre que l’incorporation de plusieurs atomes de fluor tel que démontré précédemment. En effet, les analogues monofluorés de la DMPC ont une température de transition légèrement inférieure à celle de la DMPC native, de 2 à 4 °C inférieure. De plus, lorsque ces dérivés fluorés sont mélangés à la DMPC, la Tm

est intermédiaire et unique, signifiant que des mélanges homogènes sont formés. Pour des mélanges contenant jusqu’à 25% de F-DMPC, les perturbations induites par le fluor ne sont pas significatives, suggérant qu’ils pourraient être utilisés comme sondes RMN mimant les membranes cellulaires eucaryotes. Enfin, des études préliminaires en spectroscopie RMN des solides du 2H, du 19F et du 31P ont complété les travaux de maîtrise de Jonathan Guimond-Tremblay.

1.5.4.2 Objectifs du projet de thèse

Les objectifs de mon projet de thèse sont la poursuite directe des travaux réalisés par Jonathan Guimond-Tremblay pour le développement de nouvelles sondes membranaires fluorées. Les différents objectifs spécifiques de la thèse sont les suivants :

- Compléter la banque de F-DMPC par la synthèse de nouveaux dérivés monofluorés afin de sonder tout le long des chaînes acyle;

- Estimer le degré de perturbation induit par l’atome de fluor par des études biophysiques comparatives sur les six F-DMPC et la DMPC native;

- Évaluer le rapport F-DMPC/DMPC optimal pour chacun des dérivés monofluorés permettant le meilleur compromis entre de faibles perturbations induites par le fluor et un signal élevé en RMN du fluor;

134 _{Guimond-Tremblay, J.; Gagnon, M.-C.; Pineault-Maltais, J.-A.; Turcotte, V.; Auger, M.; Paquin, J.-F.} Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 1145-1148.

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- Étudier, dans des membranes composées d’un mélange F-DMPC/DMPC au rapport optimal, le comportement de molécules dont le comportement au sein de membranes de DMPC est connu afin de valider les nouveaux modèles membranaires;

- Amorcer la synthèse et l’étude de nouveaux analogues monofluorés du DMPG en vue de développer de nouveaux modèles de membranes bactériennes.

Nous avons choisi d’effectuer la synthèse de trois nouveaux analogues monofluorés de la DMPC : la 2F, la 12F, et la 14F-DMPC, afin de pouvoir sonder les extrémités des chaînes acyle. Pour l’étude des propriétés des six nouveaux composés, les principales techniques utilisées au cours de la thèse sont la spectroscopie infrarouge ainsi que la spectroscopie RMN des solides. Ces mêmes études ont permis d’évaluer le rapport F- DMPC/DMPC optimal. Quelques études préliminaires en monocouche de Langmuir ainsi qu’en BAM ont aussi été réalisées. Concernant le quatrième objectif de la thèse, le comportement de peptides antimicrobiens connus pour soit rester en surface, soit s’insérer dans les membranes de DMPC a été étudié par spectroscopie RMN de l’azote-15 dans des membranes F-DMPC/DMPC, toujours au rapport optimal. Enfin, la mise au point de nouvelles sondes fluorées permettant de mimer les membranes bactériennes a été amorcée au cours du doctorat.