Thèse Nouvelle Génération d'Antimicrobiens Issus de la Biomasse et du Co2 H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : LHFA - Laboratoire Hétérochimie Fondamentale et Appliquée Direction de la thèse : Montserrat GOMEZ ORCID 0000000312111333 Début de la thèse : 2027-10-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 L'OMS classe la résistance aux antibiotiques parmi les menaces majeures pour la santé mondiale, prévoyant jusqu'à 10 millions de décès par an en 2050. Ce projet répond au besoin urgent de nouveaux agents antibactériens dotés de mécanismes d'action inédits pour lutter contre des agents pathogènes multirésistants tels que le SARM et ERV. Alors que le développement de molécules uniques constitue la norme, ce projet explore de manière innovante les réseaux organiques covalents (COF), appréciés pour leur cristallinité, grande surface spécifique et architecture sans métaux.
Cette initiative pluridisciplinaire associe la chimie de synthèse, la catalyse et la microbiologie pour inhiber la croissance bactérienne. Elle poursuit deux objectifs : développer une stratégie durable pour des molécules antibactériennes à base d'amines terpéniques et intégrer ces motifs structuraux dans des architectures COF robustes afin de créer des matériaux à haute densité de sites actifs. La synthèse repose sur des réactions multicomposantes impliquant l'activation du CO et réactifs de la biomasse. Deux équipes de recherche sont mobilisées pour mener à bien ce projet : un groupe spécialisé dans les nanomatériaux catalytiques de l'Université de Toulouse (UT) et une équipe de microbiologie moléculaire de l'Université Autonome de Barcelone (UAB).
Des études précédentes confirment l'absence de cytotoxicité des amines terpéniques à des concentrations inférieures à 100 µM (cellules HCT-116). Une collaboration récente entre l'UAB et l'UT a démontré que des oxazolidinones présentent une activité inhibitrice contre Staphylococcus aureus et Streptococcus pyogenes. Ces résultats valident l'approche interdisciplinaire combinant molécules antimicrobiennes et matériaux, en s'appuyant sur l'expertise toulousaine en catalyse et les capacités d'évaluation antimicrobienne de l'UAB, favorisées par la proximité géographique entre l'Occitanie et la Catalogne.
Le CO sera converti par photocatalyse en syngas, suivi d'hydroaminométhylation de terpènes. L'utilisation de terpènes non toxiques (limonène, myrcène) et de CO permet de produire des aldéhydes terpéniques homologués qui réagissent avec des amines pour générer des amines terpéniques. Ces dernières serviront à la fois d'agents antibactériens et de monomères multifonctionnels pour l'élaboration de COF bioactifs. La phototransformation du CO en CO permettra une production sélective de CO à des températures modérées (25-100 °C), évitant les conditions drastiques du reformage (>800 °C).
Les résultats attendus incluent l'obtention d'amines terpéniques, sous forme de molécules isolées ou intégrées dans des matériaux COF, présentant une activité antibactérienne supérieure contre le SARM et les ERV. En vue d'une application pratique, les COF seront immobilisés dans des membranes polymères pour servir de revêtements antibactériens destinés aux implants médicaux. Ce procédé durable de transformation du CO en molécules bioactives s'inscrit dans les principes de l'économie circulaire tout en faisant progresser la découverte d'antibiotiques pour lutter contre l'antibiorésistance, au bénéfice de la santé humaine et animale.
Ce programme de doctorat s'adresse à des étudiants hautement qualifiés, vivement intéressés par la conception et le développement de procédés durables, couvrant la recherche fondamentale et les applications. Les candidats doivent posséder de solides connaissances en chimie organique et inorganique ainsi qu'une maîtrise des techniques spectroscopiques ; des notions de biologie animale ou moléculaire seraient appréciées. Le doctorant travaillera au sein de deux laboratoires : l'un à Toulouse (Systèmes Métalliques Appliqués en Catalyse au Laboratoire Hétérochimie Fondamentale et Appliquée) et l'autre à Barcelone (Microbiologie Moléculaire de l'UAB).
Les dossiers de candidature doivent comprendre une lettre de motivation, un curriculum vitae détaillé et les coordonnées d'au moins une personne de référence. Previous studies have demonstrated the safety of terpene amine compounds as they lack cytotoxicity below 100 µM concentrations in HCT-116, a colon cancer cell line (Figure 2A, in the joint pdf file) (REF6).
In the frame of the collaboration with UAB, recent results have demonstrated the antibacterial potential of an analogous oxazolidinone family (Figure 2B, in the joint pdf file), also obtained from a multicomponent approach from CO2. These preliminary results allow us to conceive this project based on carbonylative processes towards two complementary outcomes, the antimicrobial small molecules on one hand, as well as antimicrobial materials. The expertise of both teams in the design of innovative materials and in microbiological evaluations will be an asset for a successful multidisciplinary project.
The methodologies proposed herein adhere to Green Chemistry principles through minimal waste, high atom economy, and abundant biomass feedstocks, while providing access to structurally diverse bioactive molecules, such as terpene amines. The project integrates the expertise of the LHFA team in Toulouse, renowned for sustainable catalyst design and organic synthesis, and the UAB group, expert in antimicrobial evaluation and preclinical studies, training a doctoral student at the chemistry-biology frontier. The geographical proximity between the Occitanie and Catalonia regions facilitates collaboration and knowledge transfer.
The first goal of this project proposes a sustainable and innovative strategy to prepare antibacterial molecules, based on terpene amines. The second goal aims at the integration of these structural scaffolds into molecular architectures of robust materials, such as COFs. With this approach, we envision the generation of new antibacterial materials with a high density of active sites, towards the enhancement of the antibacterial activity. These as-prepared COF materials will be synthesized by multicomponent reactions, involving CO2 activation and biomass reagents (Figure 1 in the joint pdf file).
Subsequently, to tackle the synthesis of these COFs in an environmental and sustainable fashion, at first stage, CO2 will be photocatalytically converted into syn gas (CO + H2), to follow a carbonylation of terpenes, which will be subsequently involved in the multicomponent hydroaminomethylation (Figure 1, in the joint pdf file).
This synthetic strategy relies on two readily available feedstocks: non-toxic, naturally occurring terpenes (limonene and myrcene) and CO2. This approach provides access to homologated terpene aldehydes. Thus, they can react with aromatic amines to generate the desired terpenic amine (REF6-8). Finally, by introducing multiple reactive or polymerizable sites within these bioactive units, these molecules can serve not only as antibacterial, single molecule agents but also as multifunctional monomers for the construction of polymeric bioactive COF materials (REF4).
Recently, several studies have reported the use of metal complexes photocatalysts for the reduction of CO2 (REF9-20). However, its selectivity towards syn gas remains challenging and will overcomes the constraints of tri-reforming of methane-high energy consumption, coking-induced catalyst deactivation, and limited selectivity by developing a CO2-to-CO phototransformation under photocatalytic conditions, enabling highly selective CO production at mild temperatures between 25-100 °C and ambient pressure, thereby eliminating the need for the harsh conditions exceeding 800 °C typically required by conventional reforming processes (REF21-22).