Marc A. Gauthier

Formation universitaire et biographie

Le professeur Marc A. Gauthier est titulaire d’un doctorat en chimie des polymères de l’Université de Montréal (2007) obtenu sous la direction conjointe de Julian X. Zhu et de Thomas H. Ellis. Après un postdoctorat à l’École polytechnique fédérale de Lausanne avec Harm Anton Klok, il est devenu associé de recherche à l’École polytechnique fédérale de Zurich en 2009 au sein de l’équipe de Jean-Christophe Leroux.

En 2013, il est devenu professeur adjoint au Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS où ses travaux portent sur le développement de nouveaux types de liens covalents dynamiques, la conception de conjugués protéine-polymère thérapeutiques, la mise au point de nouvelles technologies pour la découverte de médicaments et l’étude de nouvelles possibilités d’activer physiquement des bioconjugués thérapeutiques à l’aide de rayonnement non ionisant. Il est professeur titulaire depuis 2020.

Projets de recherche en cours

Concevoir de nouveaux types de liens covalents dynamiques répondant aux microenvironnements locaux dans l’organisme

Objectif : Libérer des médicaments directement dans les tissus malades.

Défi scientifique : De nombreuses classes importantes de médicaments (comme les peptides, les protéines et les acides nucléiques) ne peuvent être administrées directement aux patients en raison de leur instabilité dans la circulation sanguine. Par conséquent, la mise au point de systèmes d’administration les stabilisant et les transportant jusqu’à leur cible constitue un domaine de recherche actif. À l’heure actuelle, l’un des principaux défis à relever est la libération du médicament en temps voulu dans la population cellulaire ciblée. Une des façons de libérer le médicament de son système d’administration est d’exploiter les différences naturelles des milieux chimiques extérieur et intérieur de la cellule. Pour ce faire, on incorpore des liens covalents dynamiques réagissant à la température, au pH ou au potentiel redox à l’intérieur de la structure du système d’administration. Malheureusement, le paradoxe de l’administration « stable à l’extérieur (de la cellule), mais labile à l’intérieur » demeure en grande partie un obstacle scientifique majeur à l’atteinte d’une efficacité élevée. La stabilité du système d’administration à l’extérieur de la cellule est importante pour réduire les effets hors cible, tandis que la labilité est essentielle pour que le médicament exerce sa fonction thérapeutique. Les liens covalents dynamiques actuels sont soit très stables et libèrent donc le médicament trop lentement dans les cellules cibles, soit très labiles et le libèrent avant d’atteindre les cellules cibles. Dans l’ensemble, ces lacunes indiquent que la chimie dynamique actuelle n’a pas la spécificité, la stabilité ni la réactivité combinées nécessaires à l’amélioration considérable du rendement des systèmes d’administration de médicaments les plus poussés. Il faut chercher de nouvelles avenues. Pour un changement de paradigme, deux éléments sont nécessaires : i) un stimulus de libération de médicaments différent, à la fois intracellulaire spécifique et associée à la maladie, et ii) un nouveau groupe chimique stable, mais réagissant rapidement à ce stimulus.

Élaborer de nouveaux conjugués protéine-polymère thérapeutiques

Objectif : Protéger les médicaments biologiques sans compromettre leur activité médicamenteuse.
Défi scientifique : En général, les médicaments protéiques ont de très petits rayons hydrodynamiques et, par conséquent, sont rapidement éliminés de la circulation sanguine par les reins. De plus, comme nombre d’entre eux ne sont pas d’origine humaine, l’organisme les considère comme des corps étrangers. Il produit alors des anticorps qui, dans le meilleur des cas, provoquent leur élimination rapide et, dans le pire, causent une réaction allergique grave (allant jusqu’au choc anaphylactique). Depuis plus de 40 ans, la stratégie la plus étudiée pour surmonter ces problèmes a été la greffe de polymères hydrophiles linéaires tels que le polyéthylèneglycol (PEG) à la protéine, un processus appelé « pégylation ». La pégylation protège la protéine contre la filtration par les reins en augmentant sa taille et contre le système immunitaire en agissant comme barrière contre les anticorps. Malheureusement, le principal dogme dissuasif de la pégylation est qu’une protection élevée de la protéine, qui provient de la greffe de nombreuses copies de PEG sur la protéine, se fait généralement au détriment de la bioactivité. En effet, de nombreuses protéines pégylées ont une très faible bioactivité, ce qui oblige l’administration de grandes quantités, laquelle augmente le risque de développer des réactions allergiques au médicament. Pour un changement de paradigme, il faut étudier de nouveaux polymères.

Développer de nouvelles technologies afin d’intégrer des propriétés souhaitables à de nouveaux médicaments

Objectif : Trouver de nouveaux médicaments puissants.
Défi scientifique : Les protéines thérapeutiques sont des entités structurellement et fonctionnellement complexes. Il est donc difficile de prédire par simulation numérique l’influence des modifications de leur séquence d’acides aminés sur leurs propriétés, par exemple leur façon de se lier aux cibles, les réactions chimiques qu’elles catalysent et l’efficacité de ces processus. L’optimisation des médicaments protéiques est donc empirique et nécessite la production de chimiothèques de variants (c. à d. de mutants) de la protéine native, qu’on crible ensuite pour obtenir la propriété désirée. La production de chimiothèques de protéines ultradiversifiées et codées par ADN est simple grâce à des technologies telles que l’exposition sur phage. Malheureusement, les techniques d’obtention de touches lors de criblages basés sur la RÉACTIVITÉ CHIMIQUE (p. ex. enzymes) demeurent limitées. Dans une certaine mesure, c’est faisable à l’aide de cytomètres en flux, de l’automatisation et de la robotique. Des taux de criblage allant jusqu’à ~107 mutants par heure ont été déjà atteints par triage de cellules à fluorescence (FACS), ce qui demeure bien en deçà de la diversité théorique des chimiothèques ultra-diversifiées. De plus, les approches actuelles de criblage enzymatique exigent des essais spécifiques pour chaque protéine étudiée, nécessitant souvent la fluorescence et des substrats sur mesure. La mise au point d’une technique générale (c’est-à-dire indépendante de la réaction) pour la sélection des protéines en fonction de leur réactivité chimique à partir de chimiothèques ultra-diversifiées constituerait une avancée technologique majeure et prometteuse.<0} Une telle innovation ouvrirait la voie non seulement à la réingénierie d’enzymes connues, mais aussi à la recherche d’enzymes de novo qui pourraient avoir de nombreuses applications dans des domaines tels que les soins de santé, la biocatalyse, la chimie verte et la fabrication.

Interactions énergie matière

Objectif : Explorer de nouvelles possibilités de synthétiser et d’activer des bioconjugués thérapeutiques en utilisant des sources émergentes de rayonnement non ionisant.
Défi scientifique : Les principaux obstacles technologiques à la production de protéines, d’acides nucléiques et de matériaux dérivés ne résident pas dans leur synthèse (plusieurs entreprises en produisent déjà sur mesure pour d’autres), mais plutôt dans leur repliement/hybridation et leur modification chimique post-synthèse, principalement à cause de leur taille et de leur complexité chimique. Les réactions chimiques avec de grosses molécules sont sensiblement plus lentes et moins efficaces que celles avec de petites molécules en raison de considérations stériques et dynamiques. De plus, l’équilibre dynamique plus lent des grosses molécules peut conduire à des pièges cinétiques dans le processus de repliement/d’hybridation, ce qui empêche la formation des produits thermodynamiques désirés. La nature résout ces problèmes in vivo avec des biocatalyseurs (p. ex. chaperons et enzymes) et par compartimentalisation pour augmenter la concentration locale (p. ex. à l’intérieur des cellules ou des compartiments sous cellulaires), entre autres. En laboratoire, des approches comparables sont peu souhaitables ou peu pratiques pour améliorer l’efficacité de la production en raison des coûts supplémentaires, d’une purification plus complexe et du risque de contamination du produit final. Il nous faut donc trouver de nouveaux outils généraux qui accéléreront les réactions chimiques et l’équilibre dynamique des systèmes contenant des biomolécules sans provoquer le réchauffement de l’échantillon.

	Dr. Andrea Greschner Andrea est chercheure postdoctorale auprès de Marc. A. Gauthier depuis l’été 2014, analysant les effets du rayonnement non ionisant sur les biomolécules. Elle a fait ses études de troisième cycle à McGill (Montréal) sur les nanostructures de l’ADN. En plus d’un doctorat, Montréal lui a aussi fourni un mari, d’excellents amis et un condo pour son perroquet extrêmement gâté. Bourses d’études : FRQNT, FRQS, IRSC, Chu Family Scholarship, I3NA.
	Dr. Hoda Soleymani Hoda joined our group in June 2017. She is now involved in a collaborative project with the University of Toronto. Her project aims to find a new approach for the inhibition/delay of metastasis in pancreatic cancer. She previously studied the characteristics of concentrated monoclonal antibody solutions to solve their associated formulation problems. Hoda did her doctorate studies at the University of Alberta on targeted therapy aiming to overcome the problem of drug resistance in breast cancer. Hoda’s research interests encompass pharmaceutics, drug delivery, drug formulation, and cancer biology and treatment. In addition, Hoda enjoys listening to classical music, doing material arts and reading novels.
	Dr. Lei Hu Lei joined the group in June 2019, to develop PEG-based mesoglobules for drug delivery. He received his Ph.D from Université de Sherbrooke in 2017 and did his first postdoc at Université de Montréal, responsible for designing and synthesizing TADF materials emitting in NIR region. In addition, he likes to cook and make some traditional Chinese food.

Étudiants au doctorat

	Ahlem Meziadi Ahlem joined Marc’s research team in Jan 2017 as a PhD student. She holds a Chem Eng degree from « I’Université Libre de Tunis » since 2016. She is highly interested in material science and advanced organic  chemistry mechanisms. She is currently developing new physical and chemical approaches to improve the grafting of polymers to therapeutic proteins. In her free time, Ahlem enjoys cooking reading and travelling.
	Sharifun Nahar Sharifun comes from Bangladesh, where she pursued an undergraduate and masters in Biochemistry. She fell in love with enzymes while working to modify it by directed evolution and phage display, exploring a new laser-based method to study enzyme kinetics and also constructing and analyzing mulit-enzyme cascade model. Besides learning more about science, she likes cooking, watching cricket matches and spending time with her two daughters. She is inspired by the saying “if there’s a will, there’s a way.
	Ahlem Zaghmi Ahlem arrived in Canada in the fall of 2014 after completing her master’s degree at Pasteur Institute in Tunis. She is a biologist who is also passionate about chemistry. Currently, she is working on the development of bioconjugates for the treatment of neurodegenerative diseases. Outside the laboratory, she enjoys spending time with friends, reading and travelling.
	Fatemeh Zare Fatemeh (Samira) Zare is a PhD candidate at INRS. She joined Dr. Marc Gauthier’s research team in the winter  of  2016. Samira received her MSc in Polymer chemistry, working on nanocomposites and electrospining, from University of Tehran, Iran. Her PhD project is to design, synthezise, and validate oxidation-sensitive drug delivery systems. In her spare time, Samira like to cook authentic dishes, read books, and rehearse her artistic skills such as painting and interior design.
	Jean-Michel Fortier My name is Jean-Michel Fortier and I’m an undergraduate student at Polytechnique Montréal in Physics engineering. I’m beginning my third year this fall. This summer I had an internship at INRS EMT with the supervision of Marc A. Gauthier. Current Project: Conception of bio-electrical device made with silicium and mono-layer of graphene. The device will be used to characterized current in function of which bio-molecule is dropped on its surface. The utility of this device is to be able to detect protein or other molecule on the device and being able to say which on it is.
	Sabrine Messaoudi Sabrine is a Tunisian PhD student started in January 2019. She has a Master’s degree in biochemistry and she is working on developing a new approach of bispecific antibody for the  treatment of leukemia. She is inspired by the saying “if we start doing what’s necessary, then we do what is possible and suddenly we are doing the impossible.
	Nicole Drossis Nicole is a member of the cNAB Lab at Ontario Tech University under the supervision of Dr. Hendrick deHaan. She is currently completing her PhD in Modelling and Computational Science at Ontario Tech University. Nicole specializes in coarse-grained molecular dynamics of PEGylated protein systems that can’t be obtained from experiment. Nicole is an avid drummer and juggler who also makes jewelry and has many pet snails.

Alumni

	Dr. Tom Congdon Tom s’est joint au groupe en mars 2016 et développe des bioconjugués polymère-protéine avancés pour des applications anticancéreuses. Originaire du Royaume-Uni, il a obtenu son doctorat sous la direction de Matthew Gibson à l’Université de Warwick, où il est resté en qualité de chercheur postdoctal au sein de l’équipe de David Haddleton. Tom s’intéresse à tout ce qui concerne la chimie des polymères, leurs interactions biologiques et leurs applications. De plus, il mène actuellement une étude approfondie de toutes les bières et de tous les cidres qui existent de ce côté-ci de l’Atlantique.
	Dr. Anees Palapuravan Anees est arrivé en novembre, juste à temps pour la première tempête de neige. Bourse d’études : FRQS.
	Dr. Xavier Ropagnol Comme tant de Français il y a des siècles, Xavier a traversé l’océan, mais en avion plutôt qu’en bateau! Il a tellement aimé tellement le Québec qu’il a décidé d’y rester et d’y étudier la physique. Il s’intéresse particulièrement à ce qu’on ne peut pas voir, comme les ondes térahertz. Il est d’ailleurs le spécialiste des ondes de l’infrarouge lointain (Twaves) et de leurs applications.
	Jalal Abdul-Hadi (codirecteur Muthukumaran Packirisamy)
	Fabian Ambriz-Vargas (directeur principal Andreas Ruediger) Fabian a obtenu sa maîtrise ès sciences en génie métallurgique à l’Instituto Politecnico Nacional, au Mexique. Il a commencé son doctorat au Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS en 2015. Il étudie les jonctions tunnel ferroélectriques pour les mémoires non volatiles ultrarapides et haute densité. Ses domaines d’intérêt sont la croissance des couches minces, la physique des oxydes complexes, la caractérisation à l’échelle nanométrique des domaines, la commutation et la dynamique de polarisation des matériaux ferroélectriques. Bourses d’études : Conacyt, FRQNT.
	Esen Sokullu (directeur principal Tsuneyuki Ozaki)

Group photo summer 2016. From left to right: Prof. Marc A Gauthier, Dr. Tom Congdon, Dr. Andrea Greschner, Fabian Ambriz-Vargas, Esen Sokullu, Fatemeh Zare, Nabilah Zuberi, Bianca Rakeja. Missing: Dr. Xavier Ropagnol, Dr. Xu Geng, Ahlem Zaghmi, Sharifun Nahar, Jalal Abdul-Hadi, Dr. Anees Palapuravan (from Nov 2016), Ahlem Meziadi (from Jan 2017)

Group photo X-mas 2017.

Membres actuels du groupe

Boursiers postdoctoraux

Étudiants au doctorat

	Ahlem Meziadi Ahlem joined Marc’s research team in Jan 2017 as a PhD student. She holds a Chem Eng degree from « I’Université Libre de Tunis » since 2016. She is highly interested in material science and advanced organic  chemistry mechanisms. She is currently developing new physical and chemical approaches to improve the grafting of polymers to therapeutic proteins. In her free time, Ahlem enjoys cooking reading and travelling.
	Sharifun Nahar Sharifun comes from Bangladesh, where she pursued an undergraduate and masters in Biochemistry. She fell in love with enzymes while working to modify it by directed evolution and phage display, exploring a new laser-based method to study enzyme kinetics and also constructing and analyzing mulit-enzyme cascade model. Besides learning more about science, she likes cooking, watching cricket matches and spending time with her two daughters. She is inspired by the saying “if there’s a will, there’s a way.
	Ahlem Zaghmi Ahlem is a molecular biologist who is also passionate about chemistry. She joined our group in the fall of 2014. Her project aimed to find and develop bioconjugates (protein-polymer) for the treatment of glutamate-mediated excitotoxicity involved in different types of neuronal diseases. After her thesis defence, Ahlem joined the group of Per-Johan Jakobsson at Karolinska institute, Sweden. Her research interests encompass neurobiology, cancer biology, drug delivery, and drug formulation. Outside the laboratory, Ahlem enjoys spending time with friends, reading novels, and travelling.
	Fatemeh Zare Fatemeh (Samira) Zare is a PhD candidate at INRS. She joined Dr. Marc Gauthier’s research team in the winter  of  2016. Samira received her MSc in Polymer chemistry, working on nanocomposites and electrospining, from University of Tehran, Iran. Her PhD project is to design, synthezise, and validate oxidation-sensitive drug delivery systems. In her spare time, Samira like to cook authentic dishes, read books, and rehearse her artistic skills such as painting and interior design.
	Jean-Michel Fortier My name is Jean-Michel Fortier and I’m an undergraduate student at Polytechnique Montréal in Physics engineering. I’m beginning my third year this fall. This summer I had an internship at INRS EMT with the supervision of Marc A. Gauthier. Current Project: Conception of bio-electrical device made with silicium and mono-layer of graphene. The device will be used to characterized current in function of which bio-molecule is dropped on its surface. The utility of this device is to be able to detect protein or other molecule on the device and being able to say which on it is.
	Sabrine Messaoudi Sabrine is a Tunisian PhD student started in January 2019. She has a Master’s degree in biochemistry and she is working on developing a new approach of bispecific antibody for the  treatment of leukemia. She is inspired by the saying “if we start doing what’s necessary, then we do what is possible and suddenly we are doing the impossible.
	Nicole Drossis Nicole is a member of the cNAB Lab at Ontario Tech University under the supervision of Dr. Hendrick deHaan. She is currently completing her PhD in Modelling and Computational Science at Ontario Tech University. Nicole specializes in coarse-grained molecular dynamics of PEGylated protein systems that can’t be obtained from experiment. Nicole is an avid drummer and juggler who also makes jewelry and has many pet snails.

Alumni