Possible in vivo mechanisms involved in photodynamic therapy using tetrapyrrolic macrocycles

Photodynamic therapy (PDT) mediated by oxidative stress causes direct tumor cell damage as well as microvascular injury. To improve this treatment new photosensitizers are being synthesized and tested. We evaluated the effects of PDT with 5,10,15,20-tetrakis(4-methoxyphenyl)-porphyrin (TMPP) and its zinc complex (ZnTMPP) on tumor levels of malondialdehyde (MDA), reduced glutathione (GSH) and cytokines, and on the activity of caspase-3 and metalloproteases (MMP-2 and -9) and attempted to correlate them with the histological alterations of tumors in 3-month-old male Wistar rats, 180 ± 20 g, bearing Walker 256 carcinosarcoma. Rats were randomly divided into five groups: group 1, ZnTMPP+irradiation (IR) 10 mg/kg body weight; group 2, TMPP+IR 10 mg/kg body weight; group 3, 5-aminolevulinic acid (5-ALA+IR) 250 mg/kg body weight; group 4, control, no treatment; group 5, only IR. The tumors were irradiated for 15 min with red light (100 J/cm², 10 kHz, 685 nm) 24 h after drug administration. Tumor tissue levels of MDA (1.1 ± 0.7 in ZnTMPP vs 0.1 ± 0.04 nmol/mg protein in control) and TNF-α (43.5 ± 31.2 in ZnTMPP vs 17.3 ± 1.2 pg/mg protein in control) were significantly higher in treated tumors than in controls. Higher caspase-3 activity (1.9 ± 0.9 in TMPP vs 1.1 ± 0.6 OD/mg protein in control) as well as the activation of MMP-2 (P < 0.05) were also observed in tumors. These parameters were correlated (Spearman correlation, P < 0.05) with the histological alterations. These results suggest that PDT activates the innate immune system and that the effects of PDT with TMPP and ZnTMPP are mediated by reactive oxygen species, which induce cell membrane damage and apoptosis.

A comparative study of protoheme and heme d catalases : role of the heme and the heme pocket in catalysis and ligand binding

Catalase dismutes H20 2 to O2 and H20. In successive twoelectron reactions H20 2 induces both oxidation and reduction at the heme group. In the first step the protoheme prosthetic group of beef liver catalase forms compound I, in which the heme has been oxidized from Fe3+ to Fe4+=0 and a porphyrin radical has been created. Compound II is formed by the oneelectron reduction of comp I. It retains Fe4+=0 but lacks the porphyrin radical and is catalytically inert. Molecular structures are available for Escherichia coli Hydroperoxidase II, Micrococcus Iysodeiktus, Penicillium vitale and beef liver enzymes, which contain different hemes and heme pockets. In the present work, the pockets and substrate access channels of protoheme (beef liver & Micrococcus) and heme d (HPII of E. coli and Penicillium) catalases have been analysed using Quanta™ and CharmMTM molecular modeling packages on the Silicon Graphics Iris Indigo 2 computer. Experimental studies have been carried out with two catalases, HPII (and its mutants) and beef liver. Fluoride and formate' are inhibitors of both enzymes, and their binding is modulated by the heme and by distal residues N201 & H128. Both HPII and beef liver enzymes form compound I with H202 or peracetate. The reduction of beef liver enzyme compound I to II and the decay of compound II are accelerated by fluoride. The decay of compound II is also accelerated by formate, and this reagent acts as a 2-electron donor towards compound I of both enzymes. It is concluded that heme d enzymes (Penicillium and HPII of E. coli) are formed by autocatalytic transformation of protoheme in a modified pocket which contains a characteristic serine residue as well as a partially occluded heme channel. They are less active than protoheme enzymes but also do not form the inactive compound II species. Binding of peroxide as well as fluoride and formate is prevented by mutation of H128 and modulated by mutation of N201.

A time-resolved electron paramagnetic resonance spectroscopy study of paramagnetic porphyrins /

There is considerable interest in intramolecular energy transfer, especially in complexes which absorb visible light, because it is crucial to the better understanding of photoharvesting systems in photosynthetic organisms and for utilizing solar energy as well. Porphyrin dimers represent one of the best systems for the exploration of light-induced intramolecular energy transfer. Many kinds of porphyrins and porphyrin dimers have been studied over the past decade, however little attention has been paid to the influence of paramagnetic metals on the behavior of their excited states. In this thesis, Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy (EPR) is used to study such compounds. After light irradiation, porphyrins easily produce a variety of excited states, which are spin polarized and can be detected by the time-resolved (TR) EPR technique. The spin polarized results for vanadyl porphyrins, their electrostatically-coupled dimers, a covalently-linked copper porphyrin-free base porphyrin dimer, and free base porphyrins are presented in this thesis. From these results we can conclude that the spin polarization patterns of vanadyl porphyrins come primarily from the trip-quartet state generated by intersystem crossing (lSC) from the excited sing-doublet state through the trip-doublet state. The spin polarization pattern of electrostatically-coupled vanadyl porphyrin-free base porphyrin dimer is produced by the triplet state of the free base porphyrin half which is coupled to the unpaired electron on the vanadyl ion.

Molecular Magnetism: The Design, Synthesis, and Characterization of New Building Blocks for Molecule-based Magnetic Materials

Two classes of building blocks have been prepared and characterized and their coordination chemistry explored working towards the preparation of new molecule-based magnetic materials. In the first project, the amine functionality of 3,3'-diamino-2,2'- bipyridine was exploited for the preparation of a new family of ligands (H2L 1)-(H2L 4). The molecular structures of three ligands have been fully characterized by X-ray crystallography. [molecular structure diagram will not copy here, but is available in full pdf.] The coordination chemistry of these ligands with divalent first row transition metal ions was investigated. For ligand (H2L1), the molecular structures of four coordination complexes with stoichiometries [Zn2(Ll)(OAc)(MeO)]2 (I), [Cu2(L1)(OAc)2 (II), [Li(L1)]3 (III), and [Ni(L1)]3 (IV) were determined by X-ray crystallography. For ligand (H2L2), a Cu(II) complex of stoichiometry [Cu3(L2)(OAc)3MeO] (V) was determined by X-ray crystallography. The magnetic properties of complexes (II), (III), and (V) have been fully elucidated. In project two, synthetic strategies for the preparation of porphyrin molecules bearing triol substituents is presented. Following this approach, three new porphyrin derivatives have been prepared and characterized [Zn(HPTPP-CH2C(CH20H)3)] (VI), [P(TPP)(OCH2C(CH2)H)3)2]+CL- (VII), and [P(OEP)(C6H5)(OCH2C(CH2OH)3)]+Cl- (VIII). Attempts to exchange the labile methoxide bridges of a tetraironIIl single molecule magnet of stoichiometry [Fe4(OMe)6(dpm)6] (Hdpm = dipivaloylmethane) with the triol appended porphyrins will be discussed. [molecular structure diagram will not copy here, but is available in full pdf.]

Towards reverse engineering of Photosystem II: Synergistic Computational and Experimental Approaches

ABSTRACT Photosystem II (PSII) of oxygenic photosynthesis has the unique ability to photochemically oxidize water, extracting electrons from water to result in the evolution of oxygen gas while depositing these electrons to the rest of the photosynthetic machinery which in turn reduces CO2 to carbohydrate molecules acting as fuel for the cell. Unfortunately, native PSII is unstable and not suitable to be used in industrial applications. Consequently, there is a need to reverse-engineer the water oxidation photochemical reactions of PSII using solution-stable proteins. But what does it take to reverse-engineer PSII’s reactions? PSII has the pigment with the highest oxidation potential in nature known as P680. The high oxidation of P680 is in fact the driving force for water oxidation. P680 is made up of a chlorophyll a dimer embedded inside the relatively hydrophobic transmembrane environment of PSII. In this thesis, the electrostatic factors contributing to the high oxidation potential of P680 are described. PSII oxidizes water in a specialized metal cluster known as the Oxygen Evolving Complex (OEC). The pathways that water can take to enter the relatively hydrophobic region of PSII are described as well. A previous attempt to reverse engineer PSII’s reactions using the protein scaffold of E. coli’s Bacterioferritin (BFR) existed. The oxidation potential of the pigment used for the BFR ‘reaction centre’ was measured and the protein effects calculated in a similar fashion to how P680 potentials were calculated in PSII. The BFR-RC’s pigment oxidation potential was found to be 0.57 V, too low to oxidize water or tyrosine like PSII. We suggest that the observed tyrosine oxidation in BRF-RC could be driven by the ZnCe6 di-cation. In order to increase the efficiency of iii tyrosine oxidation, and ultimately oxidize water, the first potential of ZnCe6 would have to attain a value in excess of 0.8 V. The results were used to develop a second generation of BFR-RC using a high oxidation pigment. The hypervalent phosphorous porphyrin forms a radical pair that can be observed using Transient Electron Paramagnetic Resonance (TR-EPR). Finally, the results from this thesis are discussed in light of the development of solar fuel producing systems.

Modulation de la voie de signalisation de Gαq par l’hyperglycémie : mécanisme moléculaire

Les complications vasculaires telles que l’augmentation de la contractilité et la prolifération cellulaire sont les complications les plus communes observées dans le diabète et l’hyperglycémie chronique est un facteur important dans ces processus. La voie de signalisation de Gαq joue un rôle important dans la régulation du tonus vasculaire et l’altération de celle-ci peut contribuer aux complications vasculaires observées dans les cas de diabète et d’hyperglycémie. Il a été observé que les taux et l’activité des protéines kinase C (PKC) et du diacylglycérol (DAG) sont augmentés dans ces conditions. Cependant, aucune étude n’a démontré l’implication de Gαq/11 et des PLCβ, molécules de signalisation en amont de PKC/DAG. Plusieurs études révèlent que l’augmentation des taux et de l’activité des PKC et du DAG induite par l’hyperglycémie dans des cellules du muscle lisse vasculaire (CMLV) est attribuée à l’augmentation du stress oxydatif. De plus, les niveaux de certains peptides vasoactifs, tels que l’angiotensine II et l’endothéline-1, augmentés dans les conditions de diabète/d’hyperglycémie, peuvent contribuer à l’augmentation du stress oxydatif observée. Le travail présenté dans cette thèse avait pour but d’examiner les effets de l’hyperglycémie sur les niveaux d’expression protéique de Gαq/11 et de ses molécules associées, ainsi que d’étudier le mécanisme moléculaire par lequel l’hyperglycémie module la voie de signalisation de Gαq dans les CMLV. Dans la première étude, nous avons examiné si l’hyperglycémie pouvait moduler l’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ1 et PLCβ2. Le prétraitement des CMLV A10 avec 26 mM de glucose durant 72 heures augmente l’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ-1 et PLCβ-2 en comparaison avec les CMLV témoins. Le traitement avec des antagonistes aux récepteurs AT1 de l’Ang II, et ETA/ETB de l’ET-1, atténue la hausse de Gαq, de Gα11, de PLCβ1 et de PLCβ2 induite par l’hyperglycémie. De plus, la formation d’IP3 stimulée par l’ET-1 était plus élevée dans les CMLV exposée à 26 mM de glucose. Le traitement des CMLV A10 avec l’Ang II et l’ET-1 augmente également les niveaux d’expression des protéines Gα q/11 et PLCβ. Cette augmentation de l’expression est restaurée au niveau des CMLV témoins par les antagonistes des récepteurs AT1, ETA et ETB. Ces résultats suggèrent que l’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ dans les CMLV induite par l’hyperglycémie est attribuée à l’activation des récepteurs AT1, ETA et ETB. Dans la seconde étude, nous avons examiné l’implication du stress oxydatif dans l’augmentation des niveaux d’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ et de leur signalisation induite par l’hyperglycémie. Nous avons également déterminé le mécanisme responsable de l’augmentation du stress oxydatif induite par l’hyperglycémie. L’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ des CMLV A10 exposées à 26 mM de glucose est revenue au niveau basal après un traitement avec l’antioxydant diphenyleneiodonium (DPI), et la catalase, un chélateur du peroxyde d’hydrogène, mais pas par le 111Mn-tetralis(benzoic acid porphyrin) (MnTBAP) ni par l’acide urique, des chélateurs du peroxynitrite. De plus, l’augmentation de la formation d’IP3 stimulée par l’ET-1 dans les CMLV exposées à 26 mM de glucose est revenue au niveau basal après un traitement avec le DPI et la catalase. Ces résultats suggèrent que l’augmentation du stress oxydatif induite par l’hyperglycémie contribue à l’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et les molécules associées à la voie de signalisation de Gq. De plus, l’augmentation de la production d’anion superoxyde (O2-), de l’activité de la NADPH oxydase et de l’expression des protéines p22(phox) et p47(phox) induite par l’hyperglycémie est revenue à un niveau basal après un traitement avec les antagonistes des récepteurs AT1, ETA et ETB. Ces résultats suggèrent que l’hyperglycémie augmente les niveaux endogènes de l’Ang II et de l’ET-1, ce qui augmente le stress oxydatif par la formation d’O2- et de H2O2 et peut contribuer à l’augmentation des niveaux de Gq/11α et de leurs molécules de signalisation. Puisqu’il a été observé que l’hyperglycémie transactive les récepteurs aux facteurs de croissance tels que le récepteur au facteur de croissance épidermique (EGF-R) et le récepteur au facteur de croissance dérivé des plaquettes (PDGF-R), nous avons entrepris d’examiner, dans la troisième étude, l’implication d’EGF-R et de PDGF-R dans l’augmentation des niveaux de Gαq/11, de PLCβ et de leur signalisation induite par l’hyperglycémie. L’augmentation des niveaux d’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ-1 et PLCβ-2 induite par l’hyperglycémie est revenue au niveau basal après un traitement avec les inhibiteurs d’EGF-R (AG1478) et de PDGF-R (AG1295) et par l’inhibiteur de c-Src, PP2. L’augmentation de la phosphorylation d’EGF-R et de PDGF-R induite par l’hyperglycémie a été abolie par AG1478, AG1295 et PP2. De plus, l’augmentation des niveaux de Gαq/11, et de PLCβ induite par l’hyperglycémie est atténuée par l’inhibiteur des MAPK, le PD98059, et par l’inhibiteur d’AKT, le wortmannin. L’augmentation de la phosphorylation d’ERK et d’AKT était également atténuée par AG1478 et AG1295. Ces résultats suggèrent que la transactivation des récepteurs aux facteurs de croissance induite par c-Src peut contribuer à l’augmentation des niveaux de Gα q/11/PLC et de leur signalisation par la voie des MAPK/PI3K. En conclusion, les études présentées dans cette thèse indiquent que l’hyperglycémie augmente les niveaux de Gαq/11 et de PLCβ. Nous avons émis des évidences qui démontrent que l’augmentation endogène de l’Ang II et de l’ET-1 par l’hyperglycémie peut contribuer à l’augmentation de la production d’O2- et de H2O2 résultant ainsi en une augmentation du stress oxydatif qui pourrait être responsable de l’augmentation de Gαq/11/PLC et de leur signalisation dans les conditions d’hyperglycémie. Finalement, nous avons démontré que la transactivation des récepteurs aux facteurs de croissance induite par l’hyperglycémie peut être responsable de l’augmentation de Gαq/11/PLC et les molécules associées à la voie de signalisation de Gq dans les cas de diabète et d’hyperglycémie.

Les esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques et les dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitués : synthèses et applications

Les cyclopropanes sont des motifs d’une grande importance puisqu’ils sont présents dans plusieurs molécules biologiquement actives en plus d’être de puissants intermédiaires dans la synthèse de molécules complexes. Au cours de cet ouvrage, nous avons développé une nouvelle méthode générale pour la synthèse d’ylures d’iodonium de malonates, soit d’importants précurseurs d’esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques. Ainsi, à l’aide de ces ylures, une méthode très efficace pour la synthèse d’esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques racémiques a été développée. Des travaux ont aussi été entrepris pour la synthèse énantiosélective de ces composés. Par ailleurs, les esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques ont été utilisés dans le développement de deux nouvelles méthodologies, soit dans une réaction de cycloaddition (3+3) avec des imines d’azométhines et dans la formation d’allènes par l’addition-1,7 de cuprates. Nous avons aussi poursuivi l’étude synthétique du cylindrocyclophane F impliquant l’utilisation de cyclopropanes pour le contrôle des centres chiraux. Ainsi l’addition-1,5 d’un cuprate sur un ester cyclopropane-1,1-dicarboxylique a été utilisée comme l’une des étapes clés de notre synthèse. L’autre centre chiral a pu être contrôlé par l’hydrogénolyse sélective d’un cyclopropylméthanol. Ces études ont, par ailleurs, mené au développement d’une nouvelle réaction d’arylcyclopropanation énantiosélective utilisant des carbénoïdes de zinc générés in situ à partir de réactifs diazoïques. Cette méthode permet d’accéder très efficacement aux cyclopropanes 1,2,3-substitués. De plus, nous avons développé la première réaction de Simmons-Smith catalytique en zinc menant à un produit énantioenrichi.

Conception, synthèse et caractérisation de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles pour encapsuler des principes actifs hydrophobes

La vectorisation des médicaments est une approche très prometteuse tant sur le plan médical qu’économique pour la livraison des substances actives ayant une faible biodisponibilité. Dans ce contexte, les polymères en étoile et les dendrimères, macromolécules symétriques et branchées, semblent être les solutions de vectorisation les plus attrayantes. En effet, ces structures peuvent combiner efficacement une stabilité élevée dans les milieux biologiques à une capacité d’encapsulation des principes actifs. Grâce à leur architecture bien définie, ils permettent d’atteindre un très haut niveau de reproductibilité de résultats, tout en évitant le problème de polydispersité. Bien que des nombreuses structures dendritiques aient été proposées ces dernières années, il est cependant à noter que la conception de nouveaux nanovecteurs dendritiques efficaces est toujours d’actualité. Ceci s’explique par des nombreuses raisons telles que celles liées à la biocompatibilité, l’efficacité d’encapsulation des agents thérapeutiques, ainsi que par des raisons économiques. Dans ce projet, de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles ont été conçues, synthétisées et évaluées. Pour augmenter leur efficacité en tant qu’agents d’encapsulations des principes actifs hydrophobes, les structures de ces macromolécules incluent un coeur central hydrophobe à base de porphyrine, décanediol ou trioléine modifié et, également, une couche externe hydrophile à base d’acide succinique et de polyéthylène glycol. Le choix des éléments structuraux de futures dendrimères a été basé sur les données de biocompatibilité, les résultats de nos travaux de synthèse préliminaires, ainsi que les résultats de simulation in silico réalisée par une méthode de mécanique moléculaire. Ces travaux ont permis de choisir des composés les plus prometteurs pour former efficacement et d’une manière bien contrôlable des macromolécules polyesters. Ils ont aussi permis d’évaluer au préalable la capacité de futurs dendrimères de capter une molécule médicamenteuse (itraconazole). Durant cette étape, plusieurs nouveaux composés intermédiaires ont été obtenus. L’optimisation des conditions menant à des rendements réactionnels élevés a été réalisée. En se basant sur les travaux préliminaires, l’assemblage de nouveaux dendrimères de première et de deuxième génération a été effectué, en utilisant les approches de synthèse divergente et convergente. La structure de nouveaux composés a été prouvée par les techniques RMN du proton et du carbone 13C, spectroscopie FTIR, UV-Vis, analyse élémentaire, spectrométrie de masse et GPC. La biocompatibilité de produits a été évaluée par les tests de cytotoxicité avec le MTT sur les macrophages murins RAW-262.7. La capacité d’encapsuler les principes actifs hydrophobes a été étudiée par les tests avec l’itraconazole, un antifongique puissant mais peu biodisponible. La taille de nanoparticules formées dans les solutions aqueuses a été mesurée par la technique DLS. Ces mesures ont montré que toutes les structures dendritiques ont tendance à former des micelles, ce qui exclue leurs applications en tant que nanocapsules unimoléculaires. L’activité antifongique des formulations d’itraconazole encapsulé avec les dendrimères a été étudiée sur une espèce d’un champignon pathogène Candida albicans. Ces tests ont permis de conclure que pour assurer l’efficacité du traitement, un meilleur contrôle sur le relargage du principe actif était nécessaire.

Electrochemical Reduction and Voltammetric Determination of Metronidazole Benzoate at Modified Carbon Paste Electrode

A metalloporphyrin incorporated carbon paste sensor has been developed for the determination of metronidazole benzoate (MTZB). Zn(II) complex of 5,10,15,20-tetrakis (3-methoxy-4-hydroxy phenyl) porphyrin (TMHPP) was used as the active material. The MTZB gave a well-defined reduction peak at - 0.713V in 0.1 mol l -1 phosphate buffer solution of pH around 7. Compared with bare carbon paste electrode (CPE), the TMHPP Zn(II) modified electrode significantly enhanced the reduction peak current of MTZB as well as lowered its reduction potential. Under optimum conditions the reduction peak current was proportional to MTZB concentration over the range 1×10-3 mol1-1 to 1×10-5mol1-1. The detection limit was found to be 4.36×10-6mol1-1 . This sensor has been successfully applied for the determination of MTZB in pharmaceutical formulations and urine samples.

Nonlinear Optical Properties of Organic and Polymer Systems

Present thesis has discussed the design and synthesis of polymers suitable for nonlinear optics. Most of the molecules that were studied have shown good nonlinear optical activity. The second order nonlinear optical activity of the polymers was measured experimentally by Kurtz and Perry powder technique. The thesis comprises of eight chapters.The theory of NLO phenomenon and a review about the various nonlinear optical polymers has been discussed in chapter 1. The review has provided a survey of NLO active polymeric materials with a general introduction, which included the principles and the origin of nonlinear optics, and has given emphasis to polymeric materials for nonlinear optics, including guest-host systems, side chain polymers, main chain polymers, crosslinked polymers, chiral polymers etc.Chapter 2 has discussed the stability of the metal incorporated tetrapyrrole molecules, porphyrin, chlorin and bacteriochlorin.Chapter 3 has provided the NLO properties of certain organic molecules by computational tools. The chapter is divided into four parts. The first part has described the nonlinear optical properties of chromophore (D-n-A) and bichromophore (D-n-A-A-n-D) systems, which were separated by methylene spacer, by making use of DPT and semiempirical calculations.Chapter 4: A series of polyurethanes was prepared from cardanol, a renewable resource and a waste of the cashew industry by previously designed bifunctional and multifunctional polymers using quantum theoretical approach.Chapter 5: A series of chiral polyurethanes with main chain bis azo diol groups in the polymer backbone was designed and NLO activity was predicted by ZlNDO/ CV methods.In Chapter 7, polyurethanes were first designed by computational methods and the NLO properties were predicted by correction vector method. The designed bifunctional and multifunctional polyurethanes were synthesized by varying the chiral-achiral diol compositions

Legumes regulate Rhizobium bacteroid development and persistence by the supply of branched-chain amino acids

One of the largest contributions to biologically available nitrogen comes from the reduction of N-2 to ammonia by rhizobia in symbiosis with legumes. Plants supply dicarboxylic acids as a carbon source to bacteroids, and in return they receive ammonia. However, metabolic exchange must be more complex, because effective N-2 fixation by Rhizobium leguminosarum bv viciae bacteroids requires either one of two broad-specificity amino acid ABC transporters (Aap and Bra). It was proposed that amino acids cycle between plant and bacteroids, but the model was unconstrained because of the broad solute specificity of Aap and Bra. Here, we constrain the specificity of Bra and ectopically express heterologous transporters to demonstrate that branched-chain amino acid (LIV) transport is essential for effective N-2 fixation. This dependence of bacteroids on the plant for LIV is not due to their known down-regulation of glutamate synthesis, because ectopic expression of glutamate dehydrogenase did not rescue effective N-2 fixation. Instead, the effect is specific to LIV and is accompanied by a major reduction in transcription and activity of LIV biosynthetic enzymes. Bacteroids become symbiotic auxotrophs for LIV and depend on the plant for their supply. Bacteroids with aap bra null mutations are reduced in number, smaller, and have a lower DNA content than wild type. Plants control LIV supply to bacteroids, regulating their development and persistence. This makes it a critical control point for regulation of symbiosis. MICROBIOLOGY

A family of promoter probe vectors incorporating autofluorescent and chromogenic reporter proteins for studying gene expression in Gram-negative bacteria

A series of promoter probe vectors for use in Gram-negative bacteria has been made in two broad-host-range vectors, pOT (pBBR replicon) and pJP2 (incP replicon). Reporter fusions can be made to gfpUV, gfprnut3.1, unstable gfpmut3.1 variants (LAA, LVA, AAV and ASV), gfp+, dsRed2, dsRedT3, dsRedT4, mRFP1, gusA or lacZ. The two vector families, pOT and pJP2, are compatible with one another and share the same polylinker for facile interchange of promoter regions. Vectors based on pJP2 have the advantage of being ultra-stable in the environment due to the presence of the parABCDE genes. As a confirmation of their usefulness, the dicarboxylic acid transport system promoter (dctA(p)) was cloned into a pOT (pRU1097)- and a pJP2 (pRU1156)-based vector and shown to be expressed by Rhizobium leguminosarum in infection threads of vetch. This indicates the presence of dicarboxylates at the earliest stages of nodule formation.

Metabolism of Rhizobium bacteroids

Nitrogen fixation within legume nodules results from a complex metabolic exchange between bacteria of the family Rhizobiaciae and the plant host. Carbon is supplied to the differentiated bacterial cells, termed bacteroids, in the form of dicarboxylic acids to fuel nitrogen fixation. In exchange, fixed nitrogen is transferred to the plant. Both the bacteroid and the plant-derived peribacteroid membrane tightly regulate the exchange of metabolites. In the bacteroid oxidation of dicarboxylic acids via the TCA cycle occurs in an oxygen-limited environment. This restricts the TCA cycle at key points, such as the 2-oxoglutarate dehydrogenase complex, and requires that inputs of carbon and reductant are balanced with outputs from the TCA cycle. This may be achieved by metabolism through accessory pathways that can remove intermediates, reductant, or ATP from the cycle. These include synthesis of the carbon polymers PHB and glycogen and bypass pathways such as the recently identified 2-oxoglutarate decarboxylase reaction in soybean bacteroids. Recent labeling data have shown that bacteroids synthesize and secrete amino acids, which has led to controversy over the role of amino acids in nodule metabolism. Here we review bacteroid carbon metabolism in detail, evaluate the labeling studies that relate to amino acid metabolism by bacteroids, and place the work in context with the genome sequences of Mesorhizobium loti and Sinorhizobium meliloti. We also consider a wider range of metabolic pathways that are probably of great importance to rhizobia in the rhizosphere, during nodule initiation, infection thread development, and bacteroid development.

Amino-acid cycling drives nitrogen fixation in the legume - Rhizobium symbiosis

The biological reduction of atmospheric N-2 to ammonium (nitrogen fixation) provides about 65% of the biosphere's available nitrogen. Most of this ammonium is contributed by legume rhizobia symbioses(1), which are initiated by the infection of legume hosts by bacteria (rhizobia), resulting in formation of root nodules. Within the nodules, rhizobia are found as bacteroids, which perform the nitrogen fixation: to do this, they obtain sources of carbon and energy from the plant, in the form of dicarboxylic acids(2,3). It has been thought that, in return, bacteroids simply provide the plant with ammonium. But here we show that a more complex amino-acid cycle is essential for symbiotic nitrogen fixation by Rhizobium in pea nodules. The plant provides amino acids to the bacteroids, enabling them to shut down their ammonium assimilation. In return, bacteroids act like plant organelles to cycle amino acids back to the plant for asparagine synthesis. The mutual dependence of this exchange prevents the symbiosis being dominated by the plant, and provides a selective pressure for the evolution of mutualism.

A DFT study of free radicals formed from artemisinin and related compounds

Ab initio calculations using density functional theory have shown that the reactions that occur between artemisinin, 1, a cyclic trioxane active against malaria, and some metal ions and complexes lead to a series of radicals which are probably responsible for its therapeutic activity. In particular it has been shown that the interaction of Fe(H) with artemisinin causes the O-O bond to be broken as indeed does Fe(III) and Cu(I), while Zn(II) does not. Calculations were carried out with Fe(II) in several different forms including the bare ion, [Fe(H2O)(5)](2+) and [FeP(Im)] (P, porphyrin; Im, imadazole) and similar results were obtained. The resulting oxygen-based radicals are readily converted to more stable carbon-based radicals and/or. stable products. Similar radicals and products are also formed from two simple model trioxanes 2 and 3 that show little or no therapeutic action against malaria although some subtle differences were obtained. This suggests that the scaffold surrounding the pharmacophore may be involved in molecular recognition events allowing efficient uptake of this trioxane warhead into the parasite. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.