Photosensitive DNA intercalator : a new brick of supramolecular self-assembly for dynamic and stimuli-responsive functional systems

Développer des systèmes stimulables est d’un grand intérêt afin de pouvoir contrôler certaines de leurs propriétés. Pour ce faire, l’approche supramoléculaire, basée sur l’utilisation des interactions non covalentes, a été largement explorée pour la synthèse de systèmes dynamiques. Plus spécifiquement, développer des systèmes supramoléculaires stimulables à base de molécules biologiques est particulièrement intéressant pour tirer profit de leurs fonctions. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes ainsi intéressés à des systèmes supramoléculaires à base d’ADN ou dérivés d’ADN stimulables et dynamiques. Pour ce faire, nous avons développé un tout nouveau concept d'autoassemblage supramoléculaire de l'ADN ou dérivés d’ADN qui consiste en l’interaction entre un intercalant d'ADN et un dérivé d'ADN, tels que des nucléotides, ou de l’ADN double brin. Au cours de cette thèse, les propriétés de coassemblage stimuli-répondant entre un intercalant et de l’ADN ou des briques d’ADN ont ainsi été étudiées de manière à fabriquer des systèmes moléculaires stimulables et fonctionnels. L'intercalant d'ADN étudié dans ce travail est l'AzoDiGua. Il s'agit d'un intercalant d'ADN photosensible bolaforme, de type azobenzène, qui est fonctionnalisé par des groupements guanidinium, ayant une affinité chimique avec les groupements phosphate, et qui possède des propriétés de fluorescence induite par agrégation. La première partie de ce travail de thèse a été consacrée à l'étude de l'assemblage supramoléculaire entre l'AzoDiGua et l'adénosine triphosphate (ATP), un nucléotide d'intérêt biologique. Nous avons montré que ces deux molécules sont capables de s'autoassembler spontanément en solution à température ambiante, dans des conditions biocompatibles sous forme d'agrégats supramoléculaires fluorescents. Ces autoassemblages sont dynamiques, le plus souvent réversibles, et répondent à divers stimuli physique, chimique et biologique tels que la lumière, la présence d’ions métalliques, l’activité enzymatique, ou les interactions hôte-invité par ajout d'une cyclodextrine. Ceci nous a permis de contrôler de manière réversible les propriétés d’assemblage et de fluorescence de ces objets et ainsi de développer un système moléculaire autoassemblé inédit ATP/AzoDiGua fluorescent et multi-stimulable combinant un intercalant d'ADN et un nucléotide. La deuxième partie de ce travail de thèse a été consacrée à la caractérisation d'un nouveau complexe d'inclusion, type pseudo-rotaxane, entre l'AzoDiGua et une alpha cyclodextrine. Ce complexe d’inclusion s’est avéré être fluorescent, chiral et photoswitchable. Par la suite, nous avons utilisé ce pseudo-rotaxane pour contrôler dynamiquement les propriétés d’hybridation de l’ADN double brin à température constante. Nous avons ainsi pu développer un concept inédit permettant de contrôler les propriétés d’intercalation d’une molécule par la complexation hôte-invité et ainsi de maitriser l’assemblage de l’ADN de manière isotherme.Developping stimuli-responsive systems is of great interest in order to control their properties. For this purpose, the supramolecular approach, based on non-covalent interactions, has been widely explored to build dynamic systems. Specifically, developing supramolecular systems made of biological molecules is particularly interesting to take advantage of their functions. During this PhD work, the properties of the assembly between a photosensitive DNA intercalator with different biological molecules have been investigated in order to build functional and stimuli-responsive supramolecular systems. The DNA intercalator studied in this manuscript is the AzoDiGua molecule. It is an azobenzene photosensitive bolaform DNA intercalator which is functionalized at each extremity with guanidinium groups having affinities with phosphate groups, and has aggregation-induced fluorescence properties. The first part of this thesis was devoted to the study of the co-assembly between AzoDiGua and a biologically-active nucleotide, adenosine triphosphate (ATP). We showed that these two molecules are able to self-assemble in solution in biocompatible conditions into fluorescent supramolecular aggregates. These assemblies were found to be dynamical and highly multi-stimuli-responsive to light, chelation with metals, enzymatic hydrolysis or host-guest complexation. This allowed us to control the fluorescence and the assembling properties of these objects and therefore to build a new ATP/AzoDiGua self-assembled fluorescent and multi-stimuli-responsive system combining a DNA intercalator and a nucleotide. The second part of this thesis was devoted to the characterization of a new inclusion complex, classified as a pseudo-rotaxane, between AzoDiGua and an alpha cyclodextrin. This inclusion complex turned out to be chiral, fluorescent and photoswitchable. Following this, we used this pseudo-rotaxane to dynamically control the assembling properties of double-stranded DNA at constant temperature. We thus were able to develop a new concept enabling the manipulation of the intercalation of a molecule through host-guest complexation at the supramolecular scale leading to an original control of DNA melting/hybridization at constant temperature