Mass spectrometric and capillary electrophoretic investigation of the enzymatic degradation of heparin-like glycosaminoglycans

Difficulties in determining composition and sequence of glycosaminoglycans, such as those related to heparin, have limited the investigation of these biologically important molecules. Here, we report methodology, based on matrix-assisted laser desorption ionization MS and capillary electrophoresis, to follow the time course of the enzymatic degradation of heparin-like glycosaminoglycans through the intermediate stages to the end products. MS allows the determination of the molecular weights of the sulfated carbohydrate intermediates and their approximate relative abundances at different time points of the experiment. Capillary electrophoresis subsequently is used to follow more accurately the abundance of the components and also to measure sulfated disaccharides for which MS is not well applicable. For those substrates that produce identical or isomeric intermediates, the reducing end of the carbohydrate chain was converted to the semicarbazone. This conversion increases the molecular weight of all products retaining the reducing terminus by the “mass tag” (in this case 56 Da) and thus distinguishes them from other products. A few picomoles of heparin-derived, sulfated hexa- to decasaccharides of known structure were subjected to heparinase I digestion and analyzed. The results indicate that the enzyme acts primarily exolytically and in a processive mode. The methodology described should be equally useful for other enzymes, including those modified by site-directed mutagenesis, and may lead to the development of an approach to the sequencing of complex glycosaminoglycans.

Purification, molecular cloning, and expression of the mammalian sigma1-binding site.

Sigma-ligands comprise several chemically unrelated drugs such as haloperidol, pentazocine, and ditolylguanidine, which bind to a family of low molecular mass proteins in the endoplasmic reticulum. These so-called sigma-receptors are believed to mediate various pharmacological effects of sigma-ligands by as yet unknown mechanisms. Based on their opposite enantioselectivity for benzomorphans and different molecular masses, two subtypes are differentiated. We purified the sigma1-binding site as a single 30-kDa protein from guinea pig liver employing the benzomorphan(+)[3H]pentazocine and the arylazide (-)[3H]azidopamil as specific probes. The purified (+)[3H]pentazocine-binding protein retained its high affinity for haloperidol, pentazocine, and ditolylguanidine. Partial amino acid sequence obtained after trypsinolysis revealed no homology to known proteins. Radiation inactivation of the pentazocine-labeled sigma1-binding site yielded a molecular mass of 24 +/- 2 kDa. The corresponding cDNA was cloned using degenerate oligonucleotides and cDNA library screening. Its open reading frame encoded a 25.3-kDa protein with at least one putative transmembrane segment. The protein expressed in yeast cells transformed with the cDNA showed the pharmacological characteristics of the brain and liver sigma1-binding site. The deduced amino acid sequence was structurally unrelated to known mammalian proteins but it shared homology with fungal proteins involved in sterol synthesis. Northern blots showed high densities of the sigma1-binding site mRNA in sterol-producing tissues. This is also in agreement with the known ability of sigma1-binding sites to interact with steroids, such as progesterone.

Molecular characterization of a positively photoregulated nuclear gene for a chloroplast RNA polymerase sigma factor in Cyanidium caldarium.

We have cloned the gene for a putative chloroplast RNA polymerase sigma factor from the unicellular rhodophyte Cyanidium caldarium. This gene contains an open reading frame encoding a protein of 609 amino acids with domains highly homologous to all four conserved regions found in bacterial and cyanobacterial sigma 70-type subunits. When Southern blots of genomic DNA were hybridized to the "rpoD box" oligonucleotide probe, up to six hybridizing hands were observed. Transcripts of the sigma factor gene were undetectable in RNA from dark-grown cells but were abundant in the poly(A)+ fraction of RNA from illuminated cells. The sigma factor gene was expressed in Escherichia coli, and antibodies against the expressed sigma factor fusion protein cross-reacted with a 55-kDa protein in partially purified chloroplast RNA polymerase. Antibodies directed against a cyanobacterial RNA polymerase sigma factor also cross-reacted with a 55-kDa protein in the same enzyme preparation. Immunoprecipitation experiments showed that this enzyme preparation contains proteins with the same molecular weights as the alpha, beta, beta', and beta" subunits of chloroplast RNA polymerase in higher plants. This study identifies a gene for a plastid RNA polymerase sigma factor and indicates that there may be a family of nuclear-encoded sigma factors that recognize promoters in subsets of plastid genes and regulate differential gene expression at the transcriptional level.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

Characterization of Carbon Molecular Sieve Membranes Supported on Ceramic Tubes

Carbon molecular sieve membranes have been analyzed in supported and unsupported configurations in this experimental study. The membranes were used to adsorb CO2, N2 and CH4, and their adsorption data were analyzed to establish differences in rate and capacity of adsorption between the two types of samples (supported and unsupported). Experimental results show an important effect of the support, which can be considered as an additional parameter to tailor pore size on these carbon membranes. Immersion calorimetry values were measured by immersing the membranes into liquids of different molecular dimensions (dichloromethane, benzene, n-hexane, 2,2-dimethylbutane). Similarities were found between adsorption and calorimetric analysis. The pore volume of the samples analyzed ranged from 0.016 to 0.263 cm3/g. The effect of the pyrolysis temperature, either 550 or 700 °C, under N2 atmosphere was also analyzed. Quantification of the pore-size distribution of the support was done by liquid-liquid displacement porosimetry. The composite membrane was used for CO2/CH4 separation before and after pore plugging was done. The ideal selectivity factors value (4.47) was over the Knudsen theoretical factor (0.60) for membrane pyrolyzed at 600 °C, which indicates the potential application of these membranes for the separation of low-molecular weight gases.

I. The equilibrium in liquid mixtures of ammonia and xylene. II. The molecular weight of complex sodium tellurides in liquid ammonia,

Reprinted from articles by Charles A. Kraus and Edward H. Zeitfuchs in the Journal of the American Chemical Society, v. 44, no. 6, June, 1922 and v. 44, no. 12, December, 1922.

Adsorption of N-2, Ar, acetone, chloroform and acetone-chloroform mixture on carbon black in the framework of molecular layer structure theory (MLST)

Adsorption of pure nitrogen, argon, acetone, chloroform and acetone-chloroform mixture on graphitized thermal carbon black is considered at sub-critical conditions by means of molecular layer structure theory (MLST). In the present version of the MLST an adsorbed fluid is considered as a sequence of 2D molecular layers, whose Helmholtz free energies are obtained directly from the analysis of experimental adsorption isotherm of pure components. The interaction of the nearest layers is accounted for in the framework of mean field approximation. This approach allows quantitative correlating of experimental nitrogen and argon adsorption isotherm both in the monolayer region and in the range of multi-layer coverage up to 10 molecular layers. In the case of acetone and chloroform the approach also leads to excellent quantitative correlation of adsorption isotherms, while molecular approaches such as the non-local density functional theory (NLDFT) fail to describe those isotherms. We extend our new method to calculate the Helmholtz free energy of an adsorbed mixture using a simple mixing rule, and this allows us to predict mixture adsorption isotherms from pure component adsorption isotherms. The approach, which accounts for the difference in composition in different molecular layers, is tested against the experimental data of acetone-chloroform mixture (non-ideal mixture) adsorption on graphitized thermal carbon black at 50 degrees C. (C) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Novel approach to tailoring molecular weight distribution and structure with a difunctional RAFT agent

This work has demonstrated that for the first time a single RAFT agent (i. e., difunctional) can be used in conjunction with a radical initiator to obtain a desired M-n and PDI with controlled rates of polymerization. Simulations were used not only to verify the model but also to provide us with a predictive tool to generate other MWDs. It was also shown that all the MWDs prepared in this work could be translated to higher molecular weights through chain extension experiments with little or no compromise in the control of end group functionality. The ratio of monofunctional to difunctional SdC(CH2Ph)S- end groups, XPX and XP (where X) S=C(CH2Ph) S-), can be controlled by simply changing the concentration of initiator, AIBN. Importantly, the amount of dead polymer is extremely low and fulfils the criterion as suggested by Szwarc (Nature 1956) that to meet living requirements nonfunctional polymeric species formed by side reactions in the process should be undetectable by analytical techniques. In addition, this novel methodology will allow the synthesis of AB, ABA, and statistical multiblock copolymers with predetermined ratios to be produced in a one-pot reaction.

RAFT-mediated emulsion polymerization of styrene using a non-ionic surfactant

We report the successful RAFT-mediated emulsion polymerization of styrene using a non-ionic surfactant (Brij98), the highly reactive 1-phenylethyl phenyldithioacetate (PEPDTA) RAFT agent, and water-soluble initiator ammonium persulfate (APS). The molar ratio of RAFT agent to APS was identical in all experiments. Most of the monomer was contained within the micelles, analogous to microemulsion or miniemulsion systems but without the need of shear, sonication, cosurfactant, or a hydrophobe. The number-average molecular weight increased with conversion and the polydispersity index was below 1.2. This ideal 'living' behavior was only found when molecular weights of 9000 and below were targeted. It was postulated that the rapid transportation of RAFT agent from the monomer swollen micelles to the growing particles was fast on the polymerization timescale, and most if not all the RAFT agent is consumed within the first 10% conversion. In addition, it was postulated that the high nucleation rate from the high rate of exit ( of the R radical from the RAFT agent) and high entry rate from water-phase radicals ( high APS concentration) reduced the effects of 'superswelling' and therefore a similar molar ratio of RAFT agent to monomer was maintained in all growing particles. The high polydispersity indexes found when targeting molecular weights greater than 9000 were postulated to be due to the lower nucleation rate from the lower weight fractions of both APS and RAFT agent. In these cases, 'superswelling' played a dominant role leading to a heterogeneous distribution of RAFT to monomer ratios among the particles nucleated at different times.

Drop formation and breakup of low viscosity elastic fluids: Effects of molecular weight and concentration

The dynamics of drop formation and pinch-off have been investigated for a series of low viscosity elastic fluids possessing similar shear viscosities, but differing substantially in elastic properties. On initial approach to the pinch region, the viscoelastic fluids all exhibit the same global necking behavior that is observed for a Newtonian fluid of equivalent shear viscosity. For these low viscosity dilute polymer solutions, inertial and capillary forces form the dominant balance in this potential flow regime, with the viscous force being negligible. The approach to the pinch point, which corresponds to the point of rupture for a Newtonian fluid, is extremely rapid in such solutions, with the sudden increase in curvature producing very large extension rates at this location. In this region the polymer molecules are significantly extended, causing a localized increase in the elastic stresses, which grow to balance the capillary pressure. This prevents the necked fluid from breaking off, as would occur in the equivalent Newtonian fluid. Alternatively, a cylindrical filament forms in which elastic stresses and capillary pressure balance, and the radius decreases exponentially with time. A (0+1)-dimensional finitely extensible nonlinear elastic dumbbell theory incorporating inertial, capillary, and elastic stresses is able to capture the basic features of the experimental observations. Before the critical "pinch time" t(p), an inertial-capillary balance leads to the expected 2/3-power scaling of the minimum radius with time: R-min similar to(t(p)-t)(2/3). However, the diverging deformation rate results in large molecular deformations and rapid crossover to an elastocapillary balance for times t>t(p). In this region, the filament radius decreases exponentially with time R-min similar to exp[(t(p)-t)/lambda(1)], where lambda(1) is the characteristic time constant of the polymer molecules. Measurements of the relaxation times of polyethylene oxide solutions of varying concentrations and molecular weights obtained from high speed imaging of the rate of change of filament radius are significantly higher than the relaxation times estimated from Rouse-Zimm theory, even though the solutions are within the dilute concentration region as determined using intrinsic viscosity measurements. The effective relaxation times exhibit the expected scaling with molecular weight but with an additional dependence on the concentration of the polymer in solution. This is consistent with the expectation that the polymer molecules are in fact highly extended during the approach to the pinch region (i.e., prior to the elastocapillary filament thinning regime) and subsequently as the filament is formed they are further extended by filament stretching at a constant rate until full extension of the polymer coil is achieved. In this highly extended state, intermolecular interactions become significant, producing relaxation times far above theoretical predictions for dilute polymer solutions under equilibrium conditions. (C) 2006 American Institute of Physics

The effect of PEO length on the self-assembly of poly(ethylene oxide)−tetrapeptide conjugates prepared by “click” chemistry

Two series of poly(ethylene oxide)-tetrapeptide conjugates have been prepared using a “Click” reaction between an alkyne-modified tetra(phenylalanine) or tetra(valine) and various azide-terminated poly(ethylene oxide) (PEO) oligomers. Three different PEO precursors were used to prepare these conjugates, with number-average molecular weights of 350, 1200, and 1800 Da. Assembly of mPEO-F4-OEt and mPEO-V4-OEt conjugates was achieved by dialysis of a THF solution of the conjugate against water or by direct aqueous rehydration of a thin film. The PEO length has a profound effect on the outcome of the self-assembly, with the F4 conjugates giving rise to nanotubes, fibers, and wormlike micelles, respectively, as the length of the PEO block is increased. For the V4 series, the propensity to form ß-sheets dominates, and hence, the self-assembled structures are reminiscent of those formed by peptides alone, even at the longer PEO lengths. Thus, this systematic study demonstrates that the self-assembly of PEO-peptides depends on both the nature of the peptides and the relative PEO block length.

The effect of blending on selected physical properties of crude oils and their products

A study was made of the effect of blending practice upon selected physical properties of crude oils, and of various base oils and petroleum products, using a range of binary mixtures. The crudes comprised light, medium and heavy Kuwait crude oils. The properties included kinematic viscosity, pour point, boiling point and Reid vapour pressure. The literature related to the prediction of these properties, and the changes reported to occur on blending, was critically reviewed as a preliminary to the study. The kinematic viscosity of petroleum oils in general exhibited non-ideal behaviour upon blending. A mechanism was proposed for this behaviour which took into account the effect of asphaltenes content. A correlation was developed, as a modification of Grunberg's equation, to predict the viscosities of binary mixtures of petroleum oils. A correlation was also developed to predict the viscosities of ternary mixtures. This correlation showed better agreement with experimental data (< 6% deviation for crude oils and 2.0% for base oils) than currently-used methods, i.e. ASTM and Refutas methods. An investigation was made of the effect of temperature on the viscosities of crude oils and petroleum products at atmospheric pressure. The effect of pressure on the viscosity of crude oil was also studied. A correlation was developed to predict the viscosity at high pressures (up to 8000 psi), which gave significantly better agreement with the experimental data than the current method due to Kouzel (5.2% and 6.0% deviation for the binary and ternary mixtures respectively). Eyring's theory of viscous flow was critically investigated, and a modification was proposed which extends its application to petroleum oils. The effect of blending on the pour points of selected petroleum oils was studied together with the effect of wax formation and asphaltenes content. Depression of the pour point was always obtained with crude oil binary mixtures. A mechanism was proposed to explain the pour point behaviour of the different binary mixtures. The effects of blending on the boiling point ranges and Reid vapour pressures of binary mixtures of petroleum oils were investigated. The boiling point range exhibited ideal behaviour but the R.V.P. showed negative deviations from it in all cases. Molecular weights of these mixtures were ideal, but the densities and molar volumes were not. The stability of the various crude oil binary mixtures, in terms of viscosity, was studied over a temperature range of 1oC - 30oC for up to 12 weeks. Good stability was found in most cases.

Synthesis of polymers and copolymers of lactide through titanium initators

The research described in this thesis explored the synthesis tlnd characteristltion of biocompatible and biodegradable polymers of lactide through non-toxic titanium alkoxide nitiators. The research objectives focused on the preparation of polylactides in both solvent and solventless media, to produce materials with a wide range of molecular weights. The polylactides were fully characterised using gel permeation chromatography and 1H and 13C NMR spectroscopy. NMR spectroscopy was carried out in the study the reaction mechanisms. Kinetic studies of the ring opening polymerisation of lactide with titanium alkoxide initiators were also conducted using NMR spectroscopy. The objectives of this research were also focused on the enhancement of the flexibility of the polymer chains by synthesising random and block copolymers of lactide and ε-caprolactone using Ti(0-i-Pr)4 as an initiator, This work involved extensive characterisalion of the synthesised copolymers using gel permeation chromatography and 1H and 13C NMR spectroscopic analysis. Kinetic studies of the ring opening polymerisation of ε-caplrolactone and of the copolymerisation of lactide and ε-caprolactone with Ti(O-i-Pr)4 as an initiator were also carried out. The last section of this work involved the synthesis of block and star-shaped copolymers of lactide and poly(ethylene glycol) [PEG]. The preparation of lactide/PEG block copolymers was carried out by ring opening polymerisation of L-Iactide using Ti(O-i-Pr)4 as an initiator and hydroxyl-terminated PEG's with different numbers of hydroxyl groups as co-initiators both in solution and solventless media. These all-in-one polymersations yielded the synthesis of both lactide homopolymer and lactide/PEG block copolymer. In order to selectively synthesise copolymers of lactide and PEG, the experiment was carried out in two steps. The first step consisted of the synthesis of a titanium macro-initiator by exchanging the iso-propoxide ligands by PEG with different numbers of hydroxyl groups. The second step involved the ring opening polymerisation of lactide using the titanium macrocatalyst that was prepared as an initiator. The polymerisations were carried out in a solventless media. The synthesis of lactide/PEG copolymers using polyethylene glycol with amino terminal groups was also discussed. Extensive characterisation of the lactide block copolymers and macroinitiators was carried out using techniques such as, gel permeation chromatography (GPC), NMR spectroscopy and differential scanning calorimeter (DeS).

Molecular architecture influences on material properties of pharmaceutical compounds

Salt formation has extensively been studied as a strategy to improve drug solubility but it has not been explored as a strategy to improve mechanical properties. A better understanding of which factors of the solid state can have an influence in the mechanical properties of pharmaceutical powders can help to optimise and reduce cost of tablet manufacturing. The aim of this study was to form different series of amine salts of flurbiprofen, gemfibrozil and diclofenac and to establish predictive relationships between architectural characteristics and physicochemical and mechanical properties of the salts. For this purpose, three different carboxylic acid drugs were selected: flurbiprofen, gemfibrozil and diclofenac, similar in size but varying in flexibility and shape and three different series of counterions were also chosen: one with increasing bulk and no hydroxyl groups to limit the hydrogen bonding potential; a second one with increasing number of hydroxyl groups and finally a third series, related to the latter in number of hydroxyl groups but with different molecular shape and flexibility. Physico-chemical characterization was performed (DSC, TGA, solubility, intrinsic dissolution rate, particle size, true density) and mechanical properties measured using a compaction replicator. Strained molecular conformations produce weaker compacts as they have higher energy than preferred conformations that usually lie close to energy minimums and oppose plastic deformation. It was observed that slip planes, which correspond to regions of weakest interaction between the planes, were associated with improved plasticity and stronger compacts. Apart from hydrogen bonds, profuse van der Waals forces can result in ineffective slip planes. Salts displaying two-dimensional densely hydrogen bonded layers produced stronger compacts than salts showing one-dimensional networks of non-bonded columns, probably by reducing the attachment energy between layers. When hydrogen bonds are created intramolecularly, it is possible that the mechanical properties are compromised as they do not contribute so much to create twodimensional densely bonded layers and they can force molecules into strained conformations. Some types of hydrogen bonding network may be associated with improved mechanical properties, such as type II, or R (10) 3 4 using graph-set notation, versus type III, or R (12) 4 8 , columns. This work clearly demonstrates the potential of investigating crystal structure-mechanical property relationship in pharmaceutical materials.

Controlled synthesis of poly(neopentyl p-styrene sulfonate) via reversible addition-fragmentation chain transfer polymerisation

The controlled synthesis of poly(neopentyl p-styrene sulfonate) (PNSS) using RAFT polymerisation has been studied. Selected experimental conditions led to the production of PNSS with variable molecular weights and low dispersities (D{stroke}≤1.50). The controlled synthesis of poly(neopentyl p-styrene sulfonate) (PNSS) using reversible addition-fragmentation chain transfer polymerisation has been studied under a wide range of experimental conditions. PNSS can be used as an organic-soluble, thermally labile precursor for industrially valuable poly(p-styrene sulfonate), widely employed in technologies such as ionic exchange membranes and organic electronics. The suitability of two different chain transfer agents, three solvents, three different monomer concentrations and two different temperatures for the polymerisation of neopentyl p-styrene sulfonate is discussed in terms of the kinetics of the process and characteristics of the final polymer. Production of PNSS with systematically variable molecular weights and low dispersities (D{stroke} ≤1.50 in all cases) has been achieved using 2-azidoethyl 2-(dodecylthiocarbonothioylthio)-2-methylpropionate in anisole at 75°C, with an initial monomer concentration of 4.0molL-1. Finally, a poly(neopentyl p-styrene sulfonate)-b-polybutadiene-b-poly(neopentyl p-styrene sulfonate) (PNSS-b-PBD-b-PNSS) triblock copolymer has been synthesised via azide-alkyne click chemistry. Moreover, subsequent thermolysis of the PNSS moieties generated poly(p-styrene sulfonate) end blocks. This strategy allows the fabrication of amphiphilic copolymer films from single organic solvents without the need for post-deposition chemical treatment.