The Hydrophobic interaction: modeling hydrophobic interactions and aggregation of non-polar particles in aqueous solutions

Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. L'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Récemment, l?eau liquide a été décrite comme une structure formée d?un réseau aléatoire de liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure à basse température, certaines liaisons hydrogènes sont détruites ce qui est énergétiquement défavorable. Les molécules d?eau s?arrangent alors autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l?eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise les liaisons hydrogènes. Maintenant, la dissolution des particules devient énergétiquement défavorable, et les particules se séparent de l?eau en formant des agrégats qui minimisent leur surface exposée à l?eau. Pourtant, à très haute température, les effets entropiques deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d?eau. En utilisant un modèle basé sur ces changements de structure formée par des liaisons hydrogènes j?ai pu reproduire les phénomènes principaux liés à l?hydrophobicité. J?ai trouvé une région de coexistence de deux phases entre les températures critiques inférieure et supérieure de solubilité, dans laquelle les particules hydrophobes s?agrègent. En dehors de cette région, les particules sont dissoutes dans l?eau. J?ai démontré que l?interaction hydrophobe est décrite par un modèle qui prend uniquement en compte les changements de structure de l?eau liquide en présence d?une particule hydrophobe, plutôt que les interactions directes entre les particules. Encouragée par ces résultats prometteurs, j?ai étudié des solutions aqueuses de particules hydrophobes en présence de co-solvants cosmotropiques et chaotropiques. Ce sont des substances qui stabilisent ou déstabilisent les agrégats de particules hydrophobes. La présence de ces substances peut être incluse dans le modèle en décrivant leur effet sur la structure de l?eau. J?ai pu reproduire la concentration élevée de co-solvants chaotropiques dans le voisinage immédiat de la particule, et l?effet inverse dans le cas de co-solvants cosmotropiques. Ce changement de concentration du co-solvant à proximité de particules hydrophobes est la cause principale de son effet sur la solubilité des particules hydrophobes. J?ai démontré que le modèle adapté prédit correctement les effets implicites des co-solvants sur les interactions de plusieurs corps entre les particules hydrophobes. En outre, j?ai étendu le modèle à la description de particules amphiphiles comme des lipides. J?ai trouvé la formation de différents types de micelles en fonction de la distribution des regions hydrophobes à la surface des particules. L?hydrophobicité reste également un sujet controversé en science des protéines. J?ai défini une nouvelle échelle d?hydrophobicité pour les acides aminés qui forment des protéines, basée sur leurs surfaces exposées à l?eau dans des protéines natives. Cette échelle permet une comparaison meilleure entre les expériences et les résultats théoriques. Ainsi, le modèle développé dans mon travail contribue à mieux comprendre les solutions aqueuses de particules hydrophobes. Je pense que les résultats analytiques et numériques obtenus éclaircissent en partie les processus physiques qui sont à la base de l?interaction hydrophobe.<br/><br/>Despite the importance of water in our daily lives, some of its properties remain unexplained. Indeed, the interactions of water with organic particles are investigated in research groups all over the world, but controversy still surrounds many aspects of their description. In my work I have tried to understand these interactions on a molecular level using both analytical and numerical methods. Recent investigations describe liquid water as random network formed by hydrogen bonds. The insertion of a hydrophobic particle at low temperature breaks some of the hydrogen bonds, which is energetically unfavorable. The water molecules, however, rearrange in a cage-like structure around the solute particle. Even stronger hydrogen bonds are formed between water molecules, and thus the solute particles are soluble. At higher temperatures, this strict ordering is disrupted by thermal movements, and the solution of particles becomes unfavorable. They minimize their exposed surface to water by aggregating. At even higher temperatures, entropy effects become dominant and water and solute particles mix again. Using a model based on these changes in water structure I have reproduced the essential phenomena connected to hydrophobicity. These include an upper and a lower critical solution temperature, which define temperature and density ranges in which aggregation occurs. Outside of this region the solute particles are soluble in water. Because I was able to demonstrate that the simple mixture model contains implicitly many-body interactions between the solute molecules, I feel that the study contributes to an important advance in the qualitative understanding of the hydrophobic effect. I have also studied the aggregation of hydrophobic particles in aqueous solutions in the presence of cosolvents. Here I have demonstrated that the important features of the destabilizing effect of chaotropic cosolvents on hydrophobic aggregates may be described within the same two-state model, with adaptations to focus on the ability of such substances to alter the structure of water. The relevant phenomena include a significant enhancement of the solubility of non-polar solute particles and preferential binding of chaotropic substances to solute molecules. In a similar fashion, I have analyzed the stabilizing effect of kosmotropic cosolvents in these solutions. Including the ability of kosmotropic substances to enhance the structure of liquid water, leads to reduced solubility, larger aggregation regime and the preferential exclusion of the cosolvent from the hydration shell of hydrophobic solute particles. I have further adapted the MLG model to include the solvation of amphiphilic solute particles in water, by allowing different distributions of hydrophobic regions at the molecular surface, I have found aggregation of the amphiphiles, and formation of various types of micelle as a function of the hydrophobicity pattern. I have demonstrated that certain features of micelle formation may be reproduced by the adapted model to describe alterations of water structure near different surface regions of the dissolved amphiphiles. Hydrophobicity remains a controversial quantity also in protein science. Based on the surface exposure of the 20 amino-acids in native proteins I have defined the a new hydrophobicity scale, which may lead to an improvement in the comparison of experimental data with the results from theoretical HP models. Overall, I have shown that the primary features of the hydrophobic interaction in aqueous solutions may be captured within a model which focuses on alterations in water structure around non-polar solute particles. The results obtained within this model may illuminate the processes underlying the hydrophobic interaction.<br/><br/>La vie sur notre planète a commencé dans l'eau et ne pourrait pas exister en son absence : les cellules des animaux et des plantes contiennent jusqu'à 95% d'eau. Malgré son importance dans notre vie de tous les jours, certaines propriétés de l?eau restent inexpliquées. En particulier, l'étude des interactions entre l'eau et les particules organiques occupe des groupes de recherche dans le monde entier et est loin d'être finie. Dans mon travail j'ai essayé de comprendre, au niveau moléculaire, ces interactions importantes pour la vie. J'ai utilisé pour cela un modèle simple de l'eau pour décrire des solutions aqueuses de différentes particules. Bien que l?eau soit généralement un bon solvant, un grand groupe de molécules, appelées molécules hydrophobes (du grecque "hydro"="eau" et "phobia"="peur"), n'est pas facilement soluble dans l'eau. Ces particules hydrophobes essayent d'éviter le contact avec l'eau, et forment donc un agrégat pour minimiser leur surface exposée à l'eau. Cette force entre les particules est appelée interaction hydrophobe, et les mécanismes physiques qui conduisent à ces interactions ne sont pas bien compris à l'heure actuelle. Dans mon étude j'ai décrit l'effet des particules hydrophobes sur l'eau liquide. L'objectif était d'éclaircir le mécanisme de l'interaction hydrophobe qui est fondamentale pour la formation des membranes et le fonctionnement des processus biologiques dans notre corps. Récemment, l'eau liquide a été décrite comme un réseau aléatoire formé par des liaisons hydrogènes. En introduisant une particule hydrophobe dans cette structure, certaines liaisons hydrogènes sont détruites tandis que les molécules d'eau s'arrangent autour de cette particule en formant une cage qui permet de récupérer des liaisons hydrogènes (entre molécules d?eau) encore plus fortes : les particules sont alors solubles dans l'eau. A des températures plus élevées, l?agitation thermique des molécules devient importante et brise la structure de cage autour des particules hydrophobes. Maintenant, la dissolution des particules devient défavorable, et les particules se séparent de l'eau en formant deux phases. A très haute température, les mouvements thermiques dans le système deviennent tellement forts que les particules se mélangent de nouveau avec les molécules d'eau. A l'aide d'un modèle qui décrit le système en termes de restructuration dans l'eau liquide, j'ai réussi à reproduire les phénomènes physiques liés à l?hydrophobicité. J'ai démontré que les interactions hydrophobes entre plusieurs particules peuvent être exprimées dans un modèle qui prend uniquement en compte les liaisons hydrogènes entre les molécules d'eau. Encouragée par ces résultats prometteurs, j'ai inclus dans mon modèle des substances fréquemment utilisées pour stabiliser ou déstabiliser des solutions aqueuses de particules hydrophobes. J'ai réussi à reproduire les effets dûs à la présence de ces substances. De plus, j'ai pu décrire la formation de micelles par des particules amphiphiles comme des lipides dont la surface est partiellement hydrophobe et partiellement hydrophile ("hydro-phile"="aime l'eau"), ainsi que le repliement des protéines dû à l'hydrophobicité, qui garantit le fonctionnement correct des processus biologiques de notre corps. Dans mes études futures je poursuivrai l'étude des solutions aqueuses de différentes particules en utilisant les techniques acquises pendant mon travail de thèse, et en essayant de comprendre les propriétés physiques du liquide le plus important pour notre vie : l'eau.

Nouveaux traitements de l'hépatite C: aspects pharmacologiques et potentiel d'interaction [New hepatitis C treatments: pharmacological considerations and potential for drug interactions].

Progress in the understanding of the hepatitis C virus life cycle allowed the development of new, very promising antiviral therapies. Although these new drugs have a favourable profile in terms of efficacy, tolerance and interaction potential, their prescription in the setting of comedication and impaired renal or hepatic function remains a challenge. Here, we provide a summary of pharmacological considerations, focusing on sofosbuvir, simeprevir and daclatasvir. A better understanding of their metabolic pathways and transporters may help the prescriber to identify and manage drug interactions especially in patients under immunosuppressive or anti-HIV therapy. Recommendations for the prescription of these drugs in specific situations are also discussed.

Transcriptome diversity among rice root types during asymbiosis and interaction with arbuscular mycorrhizal fungi.

Root systems consist of different root types (RTs) with distinct developmental and functional characteristics. RTs may be individually reprogrammed in response to their microenvironment to maximize adaptive plasticity. Molecular understanding of such specific remodeling-although crucial for crop improvement-is limited. Here, RT-specific transcriptomes of adult rice crown, large and fine lateral roots were assessed, revealing molecular evidence for functional diversity among individual RTs. Of the three rice RTs, crown roots displayed a significant enrichment of transcripts associated with phytohormones and secondary cell wall (SCW) metabolism, whereas lateral RTs showed a greater accumulation of transcripts related to mineral transport. In nature, arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis represents the default state of most root systems and is known to modify root system architecture. Rice RTs become heterogeneously colonized by AM fungi, with large laterals preferentially entering into the association. However, RT-specific transcriptional responses to AM symbiosis were quantitatively most pronounced for crown roots despite their modest physical engagement in the interaction. Furthermore, colonized crown roots adopted an expression profile more related to mycorrhizal large lateral than to noncolonized crown roots, suggesting a fundamental reprogramming of crown root character. Among these changes, a significant reduction in SCW transcripts was observed that was correlated with an alteration of SCW composition as determined by mass spectrometry. The combined change in SCW, hormone- and transport-related transcript profiles across the RTs indicates a previously overlooked switch of functional relationships among RTs during AM symbiosis, with a potential impact on root system architecture and functioning.

The Influence of Age and Sex on Genetic Associations with Adult Body Size and Shape: A Large-Scale Genome-Wide Interaction Study.

Genome-wide association studies (GWAS) have identified more than 100 genetic variants contributing to BMI, a measure of body size, or waist-to-hip ratio (adjusted for BMI, WHRadjBMI), a measure of body shape. Body size and shape change as people grow older and these changes differ substantially between men and women. To systematically screen for age- and/or sex-specific effects of genetic variants on BMI and WHRadjBMI, we performed meta-analyses of 114 studies (up to 320,485 individuals of European descent) with genome-wide chip and/or Metabochip data by the Genetic Investigation of Anthropometric Traits (GIANT) Consortium. Each study tested the association of up to ~2.8M SNPs with BMI and WHRadjBMI in four strata (men ≤50y, men >50y, women ≤50y, women >50y) and summary statistics were combined in stratum-specific meta-analyses. We then screened for variants that showed age-specific effects (G x AGE), sex-specific effects (G x SEX) or age-specific effects that differed between men and women (G x AGE x SEX). For BMI, we identified 15 loci (11 previously established for main effects, four novel) that showed significant (FDR<5%) age-specific effects, of which 11 had larger effects in younger (<50y) than in older adults (≥50y). No sex-dependent effects were identified for BMI. For WHRadjBMI, we identified 44 loci (27 previously established for main effects, 17 novel) with sex-specific effects, of which 28 showed larger effects in women than in men, five showed larger effects in men than in women, and 11 showed opposite effects between sexes. No age-dependent effects were identified for WHRadjBMI. This is the first genome-wide interaction meta-analysis to report convincing evidence of age-dependent genetic effects on BMI. In addition, we confirm the sex-specificity of genetic effects on WHRadjBMI. These results may provide further insights into the biology that underlies weight change with age or the sexually dimorphism of body shape.

The 16p11.2 rearrangments genetic paradigms for obesity and neurodevelopmental disorders.

Recent discoveries of recurrent and reciprocal Copy Number Variants (CNVs) using genome- wide studies have led to a new understanding of the etiology of neuropsychiatric disorders. CNVs represent loss (deletion) or gain (duplication) of genomic material. This thesis work is focused on CNVs at the 16p11.2 BP4-BP5 locus, which are among the most frequent etiologies of neurodevelopmental disorders and have been associated with Autism Spectrum Disorders (ASD), schizophrenia, cognitive impairment, alterations of brain size as well as obesity and underweight. Because deletion and duplication of the 16p11.2 locus occur frequently and recurrently (with the same breakpoints), CNVs at this locus represent a powerful paradigm to understand how a genomic region may modulate cognitive and behavioral traits as well as the relationship and shared mechanisms between distinct psychiatric diagnoses such as ASD and schizophrenia. The present dissertation includes three studies: 1) The first project aims at identifying structural brain-imaging endophenotypes in 16p11.2 CNVs carriers at risk for ASD and schizophrenia. The results show that gene dosage at the 16p11.2 locus modulates global brain volumes and neural circuitry, including the reward system, language and social cognition circuits. 2) The second investigates the neuropsychological profile in 16p11.2 deletion and duplication carriers. While deletion carriers show specific deficits in language and inhibition, the profile of duplication carriers is devoid of specific weaknesses and presents enhanced performance in a verbal memory task. 3) The third study on food-related behaviors in 16p11.2 deletion and duplication carriers shows that alterations of the reponse to satiety are present in CNV carriers before the onset of obesity, pointing toward a potential mechanism driving the Body Mass Index increase in deletion carriers. Dysfunctions in the reward system and dopaminergic circuitries could represent a common mechanism playing a role in the phenotype and could be investigated in future studies. Our data strongly suggest that complex cognitive traits correlate to gene dosage in humans. Larger studies including expression data would allow elucidating the contribution of specific genes to these different gene dosage effects. In conclusion, a systematic and careful investigation of cognitive, behavioral and intermediate phenotypes using a gene dosage paradigm has allowed us to advance our understanding of the 16p11.2 BP4-BP5 locus and its effects on neurodevelopment. -- La récente découverte de variations du nombre de copies (CNVs pour 'copy number variants') dans le génome humain a amélioré nos connaissances sur l'étiologie des troubles neuropsychiatriques. Un CNV représente une perte (délétion) ou un gain (duplication) de matériel génétique sur un segment chromosomique. Ce travail de thèse est focalisé sur les CNVs réciproques (délétion et duplication) dans la région 16p11.2 BP4-BP5. Ces CNVs sont une cause fréquente de troubles neurodéveloppementaux et ont été associés à des phénotypes « en miroir » tels que obésité/sous-poids ou macro/microcéphalie mais aussi aux troubles du spectre autistique (TSA), à la schizophrénie et au retard de développement/déficience intellectuelle. La fréquence et la récurrence de la délétion et de la duplication aux mêmes points de cassure font de ces CNVs un paradigme unique pour étudier la relation entre dosage génique et les traits cognitifs et comportementaux, ainsi que les mécanismes partagés par des troubles psychiatriques apparemment distincts tels que les TSA et la schizophrénie. Ce travail de thèse comporte trois études distinctes : 1) l'étude en neuroimagerie structurelle identifie les endophénotypes chez les porteurs de la délétion ou de la duplication. Les résultats montrent une influence du dosage génique sur le volume cérébral total et certaines structures dans les systèmes de récompense, du langage et de la cognition sociale. 2) L'étude des profils neuropsychologiques chez les porteurs de la délétion ou de la duplication montre que la délétion est associée à des troubles spécifiques du langage et de l'inhibition alors que les porteurs de la duplication ne montrent pas de faiblesse spécifique mais des performances mnésiques verbales supérieures à leur niveau cognitif global. 3) L'étude sur les comportements alimentaires met en évidence une altération de la réponse à la satiété qui est présente avant l'apparition de l'obésité. Un dysfonctionnement dans le système de récompense et les circuits dopaminergiques pourrait représenter un mécanisme commun aux différents phénotypes observés chez ces individus porteurs de CNVs au locus 16p11.2. En conclusion, l'utilisation du dosage génique comme outil d'investigation des phénotypes cliniques et endophénotypes nous a permis de mieux comprendre le rôle de la région 16p11.2 BP4-BP5 dans le neurodéveloppement.

Development of an enantioselective assay for simultaneous separation of venlafaxine and O-desmethylvenlafaxine by micellar electrokinetic chromatography-tandem mass spectrometry: Application to the analysis of drug-drug interaction.

To-date, there has been no effective chiral capillary electrophoresis-mass spectrometry (CE-MS) method reported for the simultaneous enantioseparation of the antidepressant drug, venlafaxine (VX) and its structurally-similar major metabolite, O-desmethylvenlafaxine (O-DVX). This is mainly due to the difficulty of identifying MS compatible chiral selector, which could provide both high enantioselectivity and sensitive MS detection. In this work, poly-sodium N-undecenoyl-L,L-leucylalaninate (poly-L,L-SULA) was employed as a chiral selector after screening several dipeptide polymeric chiral surfactants. Baseline separation of both O-DVX and VX enantiomers was achieved in 15min after optimizing the buffer pH, poly-L,L-SULA concentration, nebulizer pressure and separation voltage. Calibration curves in spiked plasma (recoveries higher than 80%) were linear over the concentration range 150-5000ng/mL for both VX and O-DVX. The limit of detection (LOD) was found to be as low as 30ng/mL and 21ng/mL for O-DVX and VX, respectively. This method was successfully applied to measure the plasma concentrations of human volunteers receiving VX or O-DVX orally when co-administered without and with indinivar therapy. The results suggest that micellar electrokinetic chromatography electrospray ionization-tandem mass spectrometry (MEKC-ESI-MS/MS) is an effective low cost alternative technique for the pharmacokinetics and pharmacodynamics studies of both O-DVX and VX enantiomers. The technique has potential to identify drug-drug interaction involving VX and O-DVX enantiomers while administering indinivar therapy.