MS3ALIGN: an efficient molecular surface aligner using the topology of surface curvature

Background: Aligning similar molecular structures is an important step in the process of bio-molecular structure and function analysis. Molecular surfaces are simple representations of molecular structure that are easily constructed from various forms of molecular data such as 3D atomic coordinates (PDB) and Electron Microscopy (EM) data. Methods: We present a Multi-Scale Morse-Smale Molecular-Surface Alignment tool, MS3ALIGN, which aligns molecular surfaces based on significant protrusions on the molecular surface. The input is a pair of molecular surfaces represented as triangle meshes. A key advantage of MS3ALIGN is computational efficiency that is achieved because it processes only a few carefully chosen protrusions on the molecular surface. Furthermore, the alignments are partial in nature and therefore allows for inexact surfaces to be aligned. Results: The method is evaluated in four settings. First, we establish performance using known alignments with varying overlap and noise values. Second, we compare the method with SurfComp, an existing surface alignment method. We show that we are able to determine alignments reported by SurfComp, as well as report relevant alignments not found by SurfComp. Third, we validate the ability of MS3ALIGN to determine alignments in the case of structurally dissimilar binding sites. Fourth, we demonstrate the ability of MS3ALIGN to align iso-surfaces derived from cryo-electron microscopy scans. Conclusions: We have presented an algorithm that aligns Molecular Surfaces based on the topology of surface curvature. Awebserver and standalone software implementation of the algorithm available at http://vgl.serc.iisc.ernet. in/ms3align.

Tuning the Energy Level of Organic Sensitizers for High-Performance Dye-Sensitized Solar Cells

Cost-effective organic sensitizers will play a pivotal role in the future large-scale production and application of dye-sensitized solar cells. Here we report two new organic D-pi-A dyes featuring electron-rich 3,4-ethylenedioxythiophene- and 2,2'-bis(3,4-ethylenedioxythiophene)-conjugated linkers, showing a remarkable red-shifting of photocurrent action spectra compared with their thiophene and bithiophene counterparts. On the basis of the 3-f{5'-[N,N-bis(9,9-dimethylfluorene-2-yl)phenyl]-2,2'-bis(3,4-ethylenedioxythiophene)-5-yl}2-cyanoacrylic acid dye, we have set a new efficiency record of 7.6% for solvent-free dye-sensitized solar cells based on metal-free organic sensitizers. Importantly, the cell exhibits an excellent stability, keeping over 92% of its initial efficiency after 1000 h accelerated tests under full sunlight soaking at 60 degrees C. This achievement will considerably encourage further design and exploration of metal-free organic dyes for higher performance dye-sensitized solar cells.

Splitting the fast and slow motions in molecular dynamics simulations based on the change of cold potential well bottom

Abstract. The atomic motion is coupled by the fast and slow components due to the high frequency vibration of atoms and the low frequency deformation of atomic lattice, respectively. A two-step approximate method was presented to determine the atomic slow motion. The first step is based on the change of the location of the cold potential well bottom and the second step is based on the average of the appropriate slow velocities of the surrounding atoms. The simple tensions of one-dimensional atoms and two-dimensional atoms were performed with the full molecular dynamics simulations. The conjugate gradient method was employed to determine the corresponding location of cold potential well bottom. Results show that our two-step approximate method is appropriate to determine the atomic slow motion under the low strain rate loading. This splitting method may be helpful to develop more efficient molecular modeling methods and simulations pertinent to realistic loading conditions of materials.

Splitting the Fast and Slow Motions in Molecular Dynamics Simulations Based on the Change of Cold Potential Well Bottom

The atomic motion is coupled by the fast and slow components due to the high frequency vibration of atoms and the low frequency deformation of atomic lattice, respectively. A two-step approximate method was presented to determine the atomic slow motion. The first step is based on the change of the location of the cold potential well bottom and the second step is based on the average of the appropriate slow velocities of the surrounding atoms. The simple tensions of one-dimensional atoms and two-dimensional atoms were performed with the full molecular dynamics simulations. The conjugate gradient method was employed to determine the corresponding location of cold potential well bottom. Results show that our two-step approximate method is appropriate to determine the atomic slow motion under the low strain rate loading. This splitting method may be helpful to develop more efficient molecular modeling methods and simulations pertinent to realistic loading conditions of materials.

Cloning, characterization, and molecular application of a beta-agarase gene from Vibrio sp strain V134

V134, a marine isolate of the Vibrio genus, was found to produce a new beta-agarase of the GH16 family. The relevant agarase gene agaV was cloned from V134 and conditionally expressed in Escherichia coli. Enzyme activity analysis revealed that the optimum temperature and pH for the purified recombinant agarase were around 40 degrees C and 7.0. AgaV was demonstrated to be useful in two aspects: first, as an agarolytic enzyme, the purified recombinant AgaV could be employed in the recovery of DNA from agarose gels; second, as a secretion protein, AgaV was explored at the genetic level and used as a reporter in the construction of a secretion signal trap which proved to be a simple and efficient molecular tool for the selection of genes encoding secretion proteins from both gram-positive and gram-negative bacteria.

Cloning, characterization, and molecular application of a beta-agarase gene from Vibrio sp strain V134

V134, a marine isolate of the Vibrio genus, was found to produce a new beta-agarase of the GH16 family. The relevant agarase gene agaV was cloned from V134 and conditionally expressed in Escherichia coli. Enzyme activity analysis revealed that the optimum temperature and pH for the purified recombinant agarase were around 40 degrees C and 7.0. AgaV was demonstrated to be useful in two aspects: first, as an agarolytic enzyme, the purified recombinant AgaV could be employed in the recovery of DNA from agarose gels; second, as a secretion protein, AgaV was explored at the genetic level and used as a reporter in the construction of a secretion signal trap which proved to be a simple and efficient molecular tool for the selection of genes encoding secretion proteins from both gram-positive and gram-negative bacteria.

Physical characterization of the organic nonlinear optical crystal � 3-methoxy 4-hydroxy benzaldehyde

We highlight our recent experimental work on an efficient molecular nonlinear optical crystal, 3-methoxy 4-hydroxy benzaldehyde (MHBA). Optical quality single crystals of MHBA were grown from mixtures of solvents and from melt. The overall absorption and transparency window were improved by growing them in a mixture of chloroform and acetone. The grown crystals were characterized for their optical transmission, mechanical hardness and laser damage. We have observed a strong correlation between mechanical properties and laser induced damage.

Spectroscopic characterization of protein-wrapped single-wall carbon nanotubes and quantification of their cellular uptake in multiple cell generations

We study the spectral characteristics of bovine serum albumin (BSA) protein conjugated single-wall carbon nanotubes (SWNTs), and quantify their uptake by macrophages. The binding of BSA onto the SWNT surface is found to change the protein structure and to increase the doping of the nanotubes. The G-band Raman intensity follows a well-defined power law for SWNT concentrations of up to 33 μg ml-1 in aqueous solutions. Subsequently, in vitro experiments demonstrate that incubation of BSA-SWNT complexes with macrophages affects neither the cellular growth nor the cellular viability over multiple cell generations. Using wide spot Raman spectroscopy as a fast, non-destructive method for statistical quantification, we observe that macrophages effectively uptake BSA-SWNT complexes, with the average number of nanotubes internalized per cell remaining relatively constant over consecutive cell generations. The number of internalized SWNTs is found to be ∼30 × 106 SWNTs/cell for a 60 mm-2 seeding density and ∼100 × 10 6 SWNTs/cell for a 200 mm-2 seeding density. Our results show that BSA-functionalized SWNTs are an efficient molecular transport system with low cytotoxicity maintained over multiple cell generations. © 2013 IOP Publishing Ltd.

Comparative mitochondrial genomics toward understanding genetics and evolution of arbuscular mycorrhizal fungi

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement.

Associations of FASN gene polymorphisms with economical traits in Nellore cattle (Bos primigenius indicus)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A self-inducible heterologous protein expression system in Escherichia coli

International audience

Développement d’outils moléculaires pour la tomographie d’émission par positrons

Résumé : L’imagerie TEP est une modalité puissante qui permet de suivre d’infimes concentrations de traceurs marqués pour la détection de cancers et d’autres pathologies. Il y a actuellement un intérêt croissant pour le développement de peptides comme outils diagnostiques et de traitement en oncologie. Cet intérêt se justifie entre autres par le fait que les peptides sont tolérants à la présence de chélateurs bifonctionnels ou de groupements prosthétiques pour le marquage avec divers radiométaux (64Cu, T1/2 = 12,7 h, 68Ga, T1/2 = 68 min, etc.) ou le 18F (T1/2 = 109,8 min) sans perte de leur activité biologique. L’objectif des travaux rapportés dans ce document était de développer des outils moléculaires innovateurs et efficaces qui facilitent le marquage de peptides pour l’imagerie TEP. Il s’agit spécifiquement d’un chélateur bifonctionnel et d’une méthode de conjugaison rapide et sélective de groupe prosthétique. Sur un volet, un chélateur bifonctionnel analogue de la lysine avec des ligands méthylhydroxamates a été synthétisé en solution par double bisalkylation. Les résultats préliminaires indiquent une faible chélation avec le Cu(II), mais sont à poursuivre avec les 68Ga et 89Zr. Pour le second volet de radiomarquage au 18F, les procédures synthétiques ont été optimisées en deux étapes, soient le marquage du groupe prothétique et sa conjugaison au peptide. Tout d’abord, des conditions de marquage par une réaction de SNAr en présence de 18F- ont été développées pour donner le groupe prosthétique 18F-thioester nécessaire à la conjugaison. Par la suite, sa conjugaison au peptide par la réaction de ligation chémosélective, ce qui implique trois étapes 1) une transthioestérification favorisée entre les groupements thioester et thiol des segments de peptides; 2) un réarrangement irréversible de l’intermédiaire thioester en N-(oxyalkyl)amide, suivi; 3) du clivage de l’auxiliaire. Par les présents travaux, il a été prouvé que la nouvelle méthodologie en un seul pot réactionnel accélère la réaction et permet le marquage au 18F de peptides non protégés, limitant ainsi les réactions secondaires et le nombre d’étapes après le marquage des peptides. La conjugaison du groupe prothétique à un composé et un peptide modèle se produit en 26-55 min comparativement aux 48 h des conditions originales rapportées. La méthode proposée permet également le marquage de peptides non protégés. Dans le futur, le chélateur bifonctionnel et le groupe prothétique seront conjugués à différents dérivés peptidiques ciblant des récepteurs impliqués dans le cancer et des tests de compétition, de saturation, de biodistribution et d’imagerie µTEP seront effectués.

High mobility organic thin film transistor and efficient photovoltaic devices using versatile donor-acceptor polymer semiconductor by molecular design

In this work, we report a novel donor-acceptor based solution processable low band gap polymer semiconductor, PDPP-TNT, synthesized via Suzuki coupling using condensed diketopyrrolopyrrole (DPP) as an acceptor moiety with a fused naphthalene donor building block in the polymer backbone. This polymer exhibits p-channel charge transport characteristics when used as the active semiconductor in organic thin-film transistor (OTFT) devices. The hole mobilities of 0.65 cm2 V-1 s-1 and 0.98 cm2 V -1 s-1 are achieved respectively in bottom gate and dual gate OTFT devices with on/off ratios in the range of 105 to 10 7. Additionally, due to its appropriate HOMO (5.29 eV) energy level and optimum optical band gap (1.50 eV), PDPP-TNT is a promising candidate for organic photovoltaic (OPV) applications. When this polymer semiconductor is used as a donor and PC71BM as an acceptor in OPV devices, high power conversion efficiencies (PCE) of 4.7% are obtained. Such high mobility values in OTFTs and high PCE in OPV make PDPP-TNT a very promising polymer semiconductor for a wide range of applications in organic electronics.

High mobility diketopyrrolopyrrole (DPP)-based organic semiconductor materials for organic thin film transistors and photovoltaics

In recent years, the electron-accepting diketopyrrolopyrrole (DPP) moiety has been receiving considerable attention for constructing donor-acceptor (D-A) type organic semiconductors for a variety of applications, particularly for organic thin film transistors (OTFTs) and organic photovoltaics (OPVs). Through association of the DPP unit with appropriate electron donating building blocks, the resulting D-A molecules interact strongly in the solid state through intermolecular D-A and π-π interactions, leading to highly ordered structures at the molecular and microscopic levels. The closely packed molecules and crystalline domains are beneficial for intermolecular and interdomain (or intergranular) charge transport. Furthermore, the energy levels can be readily adjusted, affording p-type, n-type, or ambipolar organic semiconductors with highly efficient charge transport properties in OTFTs. In the past few years, a number of DPP-based small molecular and polymeric semiconductors have been reported to show mobility close to or greater than 1 cm2 V -1 s-1. DPP-based polymer semiconductors have achieved record high mobility values for p-type (hole mobility: 10.5 cm2 V-1 s-1), n-type (electron mobility: 3 cm2 V-1 s-1), and ambipolar (hole/electron mobilities: 1.18/1.86 cm2 V-1 s-1) OTFTs among the known polymer semiconductors. Many DPP-based organic semiconductors have favourable energy levels and band gaps along with high hole mobility, which enable them as promising donor materials for OPVs. Power conversion efficiencies (PCE) of up to 6.05% were achieved for OPVs using DPP-based polymers, demonstrating their potential usefulness for the organic solar cell technology. This article provides an overview of the recent exciting progress made in DPP-containing polymers and small molecules that have shown high charge carrier mobility, around 0.1 cm2 V-1 s-1 or greater. It focuses on the structural design, optoelectronic properties, molecular organization, morphology, as well as performances in OTFTs and OPVs of these high mobility DPP-based materials.

Highly efficient spin-conversion effect leading to energy up-converted electroluminescence in singlet fission photovoltaics

Free charge generation in donor-acceptor (D-A) based organic photovoltaic diodes (OPV) progresses through formation of charge-transfer (CT) and charge-separated (CS) states and excitation decay to the triplet level is considered as a terminal loss. On the other hand a direct excitation decay to the triplet state is beneficial for multiexciton harvesting in singlet fission photovoltaics (SF-PV) and the formation of CT-state is considered as a limiting factor for multiple triplet harvesting. These two extremes when present in a D-A system are expected to provide important insights into the mechanism of free charge generation and spin-character of bimolecular recombination in OPVs. Herein, we present the complete cycle of events linked to spin conversion in the model OPV system of rubrene/C60. By tracking the spectral evolution of photocurrent generation at short-circuit and close to open-circuit conditions we are able to capture spectral changes to photocurrent that reveal the triplet character of CT-state. Furthermore, we unveil an energy up-conversion effect that sets in as a consequence of triplet population build-up where triplet-triplet annihilation (TTA) process effectively regenerates the singlet excitation. This detailed balance is shown to enable a rare event of photon emission just above the open-circuit voltage (VOC) in OPVs.