Projet ANR-10-BLAN-0707 – FAC : Foldzymes, des Foldamères à Activité Catalytique
Programme : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie :  Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc SIMI 7)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur KAROYAN Philippe (UNIVERSITE PARIS VI [PIERRE ET MARIE CURIE])
Partenaires : Institut Parisien de Chimie Moléculaire; Laboratoire des Biomolécules
Montant : 375000.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Foldzymes, des foldamères à activité catalytique : Contribution à la conception d'enzymes artificielles mimant les protéases et RNases.Les enzymes sont des protéines dont l'activité est liée à leur capacité à adopter des structures tridimensionnelles complexes. Ces structures tridimensionnelles peuvent être mimées par des oligomères totalement synthétiques baptisés foldamères. Si ces derniers sont étudiés en tant que mimes structuraux des peptides et des protéines, la conception de foldamères possédant des propriétés catalytiques, objectif de ce projet, est peu ou pas explorée.
Foldamères de prolines et beta-prolines fonctionnalisées : synthèses, études structurales et fonctionnelles.Les enzymes, polymères d'a-amino acides, sont les catalyseurs du monde vivant. Leurs propriétés uniques découlent de leurs structures tridimensionnelles complexes dont la stabilité est assurée par la taille importante de ces polymères (la RNAse A est le plus petit enzyme connu, étant constitué de 124 résidus d'amino acides). Ces structures tridimensionnelles complexes et instables sont désormais accessibles à des polymères stables et totalement synthétiques de taille restreinte (10 à 15 monomères), les foldamères, dont des exemples variés sont décrits dans la littérature. Si ces derniers sont étudiés en tant que mimes structuraux des peptides et des protéines, leurs propriétés catalytiques sont peu ou pas explorées. La conception de foldamères possédant des propriétés catalytiques et mimant les enzymes, i.e. foldamères-enzymes ou «foldzymes« constitue l'objectif majeur de ce projet. Ces foldamères seront construits autour de nouveaux monomères cycliques de ß-amino acides, des ß-prolines diversement fonctionnalisées, qu'il faudra produire sous forme énantiopure à l’échelle du gramme et adaptées à la synthèse peptidique en phase solide. Les propriétés structurales de ces nouveaux acides aminés seront étudiées par RMN, dichroïsme circulaire, cristallographie après synthèse des polymères. Ces études structurales seront à la base de la conception des foldzymes, par introduction rationnelle d'acides aminés possédant des chaînes latérales fonctionnalisées dans la séquence des polymères. Des fonctions de type imidazole, carboxylate, hydroxyle...seront introduites afin de rechercher une activité de type protéase. Ces foldzymes pourraient conduire à des applications en chimie verte par exemple.
Synthèses organometalliques et peptidiques :Synthèses organometalliques et peptidiques :La réaction de carbocyclisation d'énolates de zinc dérivés de d'a-(N-homoallyl)-amino esters ß-(N-allyl)-aminoesters ont été choisies pour accéder aux prolines et ß-prolines requises fonctionnalisées. La réaction de carbocyclisation d'énolates de zinc est une approche hautement stéréosélective, robuste et peu onéreuse. La fonctionnalisation in-situ de l’espèce organozincique résultant de l’étape de carbocyclisation permet l’accès rapide à des ß-prolines possédant les différentes chaînes latérales des acides aminés naturels.La synthèse des polymères est effectuée sur supports solides et nécessite l'utilisation de réactifs de couplage particulièrement efficaces du fait de l'encombrement stérique des monomères de ß-prolines substituées. Différents polymères (tailles séquence...) sont ici construits et leur structure étudiée par CD, RMN et modélisation moléculaire.Étude structurale : Les études préliminaires sont réalisées par dichroïsme circulaire afin de mettre en évidence la présence d'éventuelles structures secondaires. Cette technique qui utilise peu de matériel permet d'évaluer la stabilité de la structure face à des changements environnementaux et notamment la température. Les premières études structurales des foldamères par RMN se sont révélées particulièrement complexes du fait de l'existence d'équilibres conformationnelles. Afin de pallier ce problème et simplifier les spectres, des homooligomères incorporant une ß-proline méthylée et marquée au 13C ont été préparés. Ce travail a rendu plus aisée les études par RMN permettant de  confirmer que l'hétérogénéité conformationnelle est bien liée à l’isomérie cis/trans importante des liaisons amides tertiaires.
Résumé de la soumission : Les propriétés uniques des enzymes, propriétés qui découlent de leur structure tridimensionnelle, ont été une source d'inspiration pour la conception de catalyseurs capables d'effectuer diverses transformations chimiques sélectives. Ces catalyseurs synthétiques sont conçus pour des transformations chimiques incompatibles avec  le maintien de la structure et de l'activité des biocatalyseurs que sont les enzymes. Peu d'exemples d'oligomères synthétiques construits autour d'alpha-amino acides ont été décrits à ce jour, probablement à cause de la difficulté à prédire et à contrôler la  structure tridimensionnelle du biopolymère tout en introduisant les groupements fonctionnels correctement orientés pour réaliser l’acte catalytique. Dans ce cadre, les progrès spectaculaires dans la conception de foldamères –qui se définissent comme des oligomères non naturels capables d’adopter des structures secondaires de façon prédictible en solution, tels que  les peptoides, les oligourées, oligo(phenyleneethynelene)- et ß-peptides- ont été réalisés. Bien que ces foldamères soient très largement étudiés pour des applications biomédicales, l’étude de leur potentialité en tant que catalyseur reste marginale. L'objectif de ce projet fondamental est de développer des foldamères à activité catalytique, foldamères construits, entre-autre, autour de nouveaux bêta-amino acides cycliques. Nous proposons de développer des foldamères capables de catalyser des réactions dans l'eau, et possédant une activité de type protéase.Ce projet interdisciplinaire associera des chimistes développant des stratégies de synthèses de bêta-amino acides contraints et fonctionnalisés par les chaînes latérales des acides aminés naturels, des chimistes peptidistes pour la conception des foldamères, des biologistes structuraux pour la conception et l'étude conformationnelle de ces foldamères dans l'eau et des biochimistes pour étudier leur activité catalytique.
Résultats : Les monomères dérivés de ß-proline n'apparaissent pas comme de bons candidats pour la construction de nos foldzymes. Par contre, les prolino-amino acides semblent tout indiqués pour la construction de notre matrice de type hélice PPII-boucle-hélice PPII qui servira à la conception rationnelle de nos foldzymes. Un aspect important à noter est la parfaite solubilité des foldamères de première génération en milieu aqueux. Ce point peut paraitre surprenant dans la mesure où ces objets ont un profil relativement hydrophobe!
Une étude de modélisation moléculaire a été menée de façon à identifier les meilleurs candidats de coudes à placer au centre de nos foldamères, et afin d’évaluer la stabilité de ces édifices dans l’eau.
Perspectives : Pour les prochaines périodes (S5, S6, S7) nous prévoyons la synthèse de cette deuxième génération de foldamères. L’étude de leur structure par CD et RMN (l’incorporation d’une sonde paramagnétique est prévue) sera effectuée afin de placer judicieusement les prolines substituées de façon à mimer le site catalytique d’une protéase. L’activité catalytique des foldamères obtenus sera évaluée.
Publications et brevets : 1.	C. Caumes, N. Delsuc, R. Beni Azza, I. Correia, F. Chemla, F. Ferreira, L. Carlier, A. Perez Luna, R. Moumné, O. Lequin, P. Karoyan New J. Chem., 2013, 37, 1312-1319.
2.	3-Substituted Prolines: From Synthesis to Structural Applications, from Peptides to Foldamers C. Mothes, C. Caumes, A. Guez, H. Boullet, T. Gendrineau, S. Darses, N. Delsuc, R. Moumné, B. Oswald, O. Lequin, P. Karoyan Molecules, 2013, 18 (2), 2307-2327.