Synthetic Analogues of Intrinsically Disordered Polypeptides : Copolymerization, Sequence-Control and Stimuli-Responsiveness

Analogues Synthétiques de Polypeptides Intrinsèquement Désordonnés : Copolymérisation, Contrôle de Séquence et Réponse aux Stimuli Les protéines sont une classe très importante de biomacromoléules naturelles. Elles remplissent de nombreuses fonctions dans les systèmes vivants mais sont composés de seulement 20 types d’acides aminés. Mimer la structure chimique des protéines en produisant des polypeptides synthétiques est d’un grand intérêt pour produire des matériaux fonctionnels, biodégradables et biocompatibles. Le moyen le plus économique et le plus efficace pour produire des polymères à base d’acides aminés est la polymérisation à ouverture de cycle des N-carboxyanhydrides (NCA) dérivés de ces acides aminés. L’objectif de cette thèse de doctorat a été d’imiter la structure et les propriétés de protéines intrinsèquement désordonnées en utilisant cette polymérisation. La séquence des acides aminés dans ces protéines est relativement simple si on la compare à d’autres régions du protéome et se caractérise par des séquences répétitives enrichies en glycine et en proline. En utilisant les monomères NCA dérivés de ces deux acides aminés, ce travail de doctorat développe la préparation de copolymères statistiques par copolymérisation pour produire des polypeptides avec une séquence monomère contrôlée stochastiquement. Un tel contrôle permet d’induire de manière statistique certaines séquences (AA, AB, BB) dans la distribution des monomères le long de la macromolécule. Les études cinétiques d’un modèle de copolymérisation comprenant de la glycine et un glutamate protégé ont d’abord permis de calculer leurs rapports de réactivité respectifs. Le contrôle des différentes conditions de réaction (solvant, température, catalyse) a permis d’orienter stochastiquement le système de copolymérisation vers différentes séquences en monomères. L’influence de cette séquence sur les propriétés macromoléculaires, notamment la solubilité et la structure secondaire, a ensuite été élucidé. Dans un deuxième temps, l’approche biomimétique basée sur la chimie des polymères a été utilisé pour reproduire la séquence de protéines thermosensibles riches en glycine et en proline. En biologie, les polypeptides de type élastine (ELP), sont des protéines thermosensibles qui présentent un caractère thermosensible proche de la température corporelle (37 °C) et sont donc utilisés dans de nombreuses applications biomédicales. Cette classe de protéine a donc été choisie comme modèle de séquence riche en glycine et en proline à mimer. Des homopolymères de polyproline (PLP) de poids moléculaires élevés ont d’abord été préparés en milieu aqueux et étudiés pour comprendre leur comportement thermosensible peu exploré et révélant une hystérèse exceptionnellement large. Avec ce polymère, la structure, la chiralité et la structuration secondaire sont des paramètres importants qui explique un effet mémoire qui a permis de produire des formulations originales telles que des sondes de température ou des hydrogels programmables. Dans des réactions de copolymérisations en milieu aqueux, introduire de la proline avec de la glycine permet d’affiner son comportement thermosensible. En réalisant la polymérisation dans l’eau, cette copolymérisation produit des macromolécules à gradient élevé dont on peut ajuster le comportement thermosensible. Ces copolymères s’auto-assemblent spontanément en nanoparticules thermosensibles. Des réactions de polymérisation plus complexes, des terpolymérisations entre la glycine, la proline et la valine ont ensuite été explorées pour mieux imiter le comportement des ELP, mais cette réaction a montré certaines limites et des problèmes de solubilités. Finalement, d’autres approches de polymérisation ont été explorés, y compris l’organocatalyse et la catalyse organométallique. Ces systèmes permettront d’obtenir des copolymères contenant de la proline avec une thermosensibilité plus modulable.