DPS-Like Peroxide Resistance Protein: Structural and Functional Studies on a Versatile Nanocontainer

Oxidative stress is a constant threat to almost all organisms. It damages a number of biomolecules and leads to the disruption of many crucial cellular functions. It is caused by reactive oxygen species (ROS), such as hydrogen peroxide (H2O₂), superoxide (•O₂ -), and hydroxyl radical (•OH). The most harmful of these compounds is •OH, which is only formed in cells in the presence of redox-cycling transition metals, such as iron and copper. Bacteria have developed a number of mechanisms to cope with ROS. One of the most widespread means employed by bacteria is the DNA-binding proteins from starved cells (Dps). Dps proteins protect the cells by binding and oxidizing Fe2+, thus greatly reducing the production of •OH. The oxidized iron is stored inside the protein as an iron core. In addition, Dps proteins bind directly to DNA forming a protective coating that shields DNA from harmful agents. Moreover, Dps proteins have been found to elicit other protective functions in cells and to participate in bacterial virulence. Dps proteins are of special importance to Streptococci owing to the lack of catalase in this genus of bacteria.This study was focused on structural and functional characterization of streptococcal Dpslike peroxide resistance (Dpr) proteins. Initially, crystal structures of Streptococcus pyogenes Dpr were determined. The data confirmed the presence of a di-metal ferroxidase center (FOC) in Dpr proteins and revealed the presence of a novel N-terminal helix as well as a surface metal-binding site. The crystal structures of Streptococcus suis Dpr complexed with transition metals demonstrated the metal specificity of the FOC. Solution binding studies also indicated the presence of a di-metal FOC. These results suggested a possible role for Dpr in the detoxification of various metals. Iron was found to mineralize inside the protein as ferrihydrite based on X-ray absorption spectroscopy data. The iron core was found to exhibit clear superparamagnetic behaviour using magnetic and Mössbauer measurements. The results from this study are expected to further increase our understanding on the binding, oxidation, and mineralization of iron and other metals in Dpr proteins. In particular, the structural and magnetic properties of the iron core can form a basis for potential new applications in nanotechnology. From the streptococcal viewpoint, the results would help in understanding better the complicated picture of bacterial pathogenesis. Dpr proteins may also provide a novel target for drug design due to their tight involvement in bacterial virulence.

Treatment of Fe-containing Acid Mine Waters in Fixed Bed Adsorption Column with Calcite Side-Stone

The acid mining drainage is considered the most significant environmental pollution problem around the world for the extensive formation acidic leachates containing heavy metals. Adsorption is widely used methods in water treatment due to it easy operation and the availability of a wide variety of commercial adsorbent (low cost). The primary goal of this thesis was to investigate the efficiency of neutralizing agents, CaCO3 and CaSiO3, and metal adsorption materials with unmodified limestone from Company Nordkalk Oy. In addition to this, the side materials of limestone mining were tested for iron adsorption from acidic model solution. This study was executed at Lappeenranta University of Technology, Finland. The work utilised fixed-bed adsorption column as the main equipment and large fluidized column. Atomic absorption spectroscopy (AAS) and x-ray diffraction (XRD) was used to determine ferric removal and the composition of material respectively. The results suggest a high potential for the studied materials to be used a low cost adsorbents in acid mine drainage treatment. From the two studied adsorbents, the FS material was more suitable than the Gotland material. Based on the findings, it is recommended that further studies might include detailed analysis of Gotland materials.

Copper accumulation in Xanthomonas campestris pv. vesicatoria

A strain of Xanthomonas campestris pv. vesicatoria showing resistance to 1.2 mM cupric sulfate was analyzed by atomic absorption spectroscopy and ESI (electron spectrophotometry imaging). Accumulation of copper was detected in the periphery of the cell membrane region, suggesting that the mechanism of copper resistance is similar to that previously described for Pseudomonas species. The ESI technique was used to detect copper in the membrane region. Copper-resistance in X. campestris pv. vesicatoria 484 is inducible and occurs by accumulation of the metal and not by efflux mechanism as has been suggested. The growth curve also showed that this system is inducible.

Zinc accumulation in phosphate granules of Ucides cordatus hepatopancreas

Amorphous phosphate granules are present in vertebrate and invertebrate organisms. The functions attributed to these structures depend on their mineral contents and organic matrix composition. In the present study we have determined zinc concentrations in the hepatopancreas of the crab Ucides cordatus from regions contaminated with zinc, and the elemental composition of hepatopancreal phosphate granules. Organisms were collected from the contaminated areas of Sepetiba Bay (SB) and Guanabara Bay (GB), and from a non-contaminated area, Ribeira Bay (RB). The first two sites are located near the metropolitan region of Rio de Janeiro city, Brazil. Atomic absorption spectroscopy (AAS) showed a significant difference (P<0.05) for zinc concentration in the hepatopancreas from organisms collected at the contaminated sites GB (210 ± 20 µg/g dry weight) and SB (181 ± 16 µg/g dry weight) compared to the non-contaminated site RB (76 ± 14 µg/g dry weight). Phosphate granules isolated from hepatopancreatic tissue were studied by electron diffraction (ED), energy dispersive X-ray analysis (EDX) and electron spectroscopic imaging (ESI). ED of granules presented no diffraction spots, indicating that these structures are in an amorphous state, while EDX of granules isolated from a contaminated area contained P, Ca and Zn. Mg, Cl and Fe were also found in some of the spectra. ESI showed that O, P and Ca were colocalized in the mineralized layers of most granules observed. The correlation between the results obtained by AAS and those obtained by microanalytical techniques suggests that the hepatopancreatic granules of U. cordatus may be related to the phenomenon of heavy metal retention.

NIR-Vis Up-Conversion Luminescence in the Yb3+,Er3+ Doped Y2O2S, ZrO2, and NaYF4 Nanomaterials

Since the discovery of the up-conversion phenomenon, there has been an ever increasing interest in up-converting phosphors in which the absorption of two or more low energy photons is followed by emission of a higher energy photon. Most up-conversion luminescence materials operate by using a combination of a trivalent rare earth (lanthanide) sensitizer (e.g. Yb or Er) and an activator (e.g. Er, Ho, Tm or Pr) ion in a crystal lattice. Up-converting phosphors have a variety of potential applications as lasers and displays as well as inks for security printing (e.g. bank notes and bonds). One of the most sophisticated applications of lanthanide up-conversion luminescence is probably in medical diagnostics. However, there are some major problems in the use of photoluminescence based on the direct UV excitation in immunoassays. Human blood absorbs strongly UV radiation as well as the emission of the phosphor in the visible. A promising way to overcome the problems arising from the blood absorption is to use a long wavelength excitation and benefit from the up-conversion luminescence. Since there is practically no absorption by the whole-blood in the near IR region, it has no capability for up-conversion in the excitation wavelength region of the conventional up-converting phosphor based on the Yb3+ (sensitizer) and Er3+ (activator) combination. The aim of this work was to prepare nanocrystalline materials with high red (and green) up-conversion luminescence efficiency for use in quantitative whole-blood immunoassays. For coupling to biological compounds, nanometer-sized (crystallite size below 50 nm) up-converting phosphor particles are required. The nanocrystalline ZrO2:Yb3+,Er3+, Y2O2S:Yb3+,Er3+, NaYF4:Yb3+,Er3+ and NaRF4-NaR’F4 (R: Y, Yb, Er) materials, prepared with the combustion, sol-gel, flux, co-precipitation and solvothermal synthesis, were studied using the thermal analysis, FT-IR spectroscopy, transmission electron microscopy, EDX spectroscopy, XANES/EXAFS measurements, absorption spectroscopy, X-ray powder diffraction, as well as up-conversion and thermoluminescence spectroscopies. The effect of the impurities of the phosphors, crystallite size, as well as the crystal structure on the up-conversion luminescence intensity was analyzed. Finally, a new phenomenon, persistent up-conversion luminescence was introduced and discussed. For efficient use in bioassays, more work is needed to yield nanomaterials with smaller and more uniform crystallite sizes. Surface modifications need to be studied to improve the dispersion in water. On the other hand, further work must be carried out to optimize the persistent up-conversion luminescence of the nanomaterials to allow for their use as efficient immunoassay nanomaterials combining the advantages of both up-conversion and persistent luminescence.

Nitric oxide release from the S-nitrosothiol zinc phthalocyanine complex by flash photolysis

The photogeneration of nitric oxide (NO) using laser flash photolysis was investigated for S-nitroso-glutathione (GSNO) and S-nitroso-N-acetylcysteine (NacySNO) at pH 6.4 (PBS/HCl) and 7.4 (PBS). Irradiation of S-nitrosothiol with light (lambda = 355 nm followed by absorption spectroscopy) resulted in the homolytic decomposition of NacySNO and GSNO to generate radicals (GS· and NacyS·) and NO. The release of NO from donor compounds measured with an ISO-Nometer apparatus was larger at pH 7.4 than pH 6.4. NacySNO was also incorporated into dipalmitoyl-phosphatidylcholine liposomes in the presence and absence of zinc phthalocyanine (ZnPC), a well-known photosensitizer useful for photodynamic therapy. Liposomes are usually used as carriers for hydrophobic compounds such as ZnPC. Inclusion of ZnPC resulted in a decrease in NO liberation in liposomal medium. However, there was a synergistic action of both photosensitizers and S-nitrosothiols resulting in the formation of other reactive species such as peroxynitrite, which is a potent oxidizing agent. These data show that NO release depends on pH and the medium, as well as on the laser energy applied to the system. Changes in the absorption spectrum were monitored as a function of light exposure.

Effects of nickel on the mineral composition of Fleischmann’s yeast (Saccharomyces cerevisiae)

Sugar cane juice containing 12% (w.w -1) of total reducing sugars and 0.0 to 5.0 mmol of nickel L-1, with pH ranging from 3.5 to 6.5, was inoculated with Fleischmann’s yeast (Saccharomyces cerevisiae) (10% w.w -1). Six hours after fermentation, the yeast’s cellular viability and trehalose content were evaluated. The resulting must was centrifuged and the raw yeast was analyzed by atomic absorption spectroscopy to evaluate the intracellular levels of calcium, copper, iron, magnesium, manganese, nickel, phosphorus, potassium, sulfur and zinc. The intracellular levels of iron, magnesium and calcium were affected and the yeast’s susceptibility to nickel was enhanced by the decrease in pH. The yeast’s growth was not affected by nickel at high pH, but the toxic effects of nickel were potentiated at low pH.

Antioxidant activity, cito- and phototoxicity of pomegranate (Punica granatum L.) seed pulp extract

In the present work, a hydroethanolic extract was prepared from the entire seeds of pomegranate [Punica granatum L. (Punicaceae)] with Cachaça, a distilled Brazilian alcoholic beverage, protected from light for an 80-hour period. The desorption curve of the seeds, presented an optimal time extraction of approximately 24 hours. The extract was divided into two samples: protected from light, (Extract 1), or not, (Extract 2). The extracts were characterized by UV-Visible absorption spectroscopy, quantification of total phenolics by the Folin-Ciocalteu method, and the antioxidant activity was determined by the DPPH quenching method. Extract 2 presented 9.8% less total polyphenols than Extract 1. The pomegranate seeds extract lost 79% of its antioxidant activity during light exposure. Extract 1 up to 3% (w/v) showed neither cyto nor phototoxicity in the Hela cells. In conclusion, Punica granatum L. seeds contain a significant total polyphenol and TEAC amount and they can be used in simple extractive process, by direct contact with Cachaça in up to 80 hours in the darkness, which gives it good coloration, taste, and smell. This extract showed neither cytotoxicity nor post-irradiation phototoxicity with solar simulator even though the extract proved photoinstable.

Aspects of the hemes and modulation of hydrogen donors in catalases from bovine liver, yeast, and escherichia coli

Catalase is the enzyme which decomposes hydrogen peroxide to water and oxygen. Escherichia coli contains two catalases. Hydroperoxidase I (HPI) is a bifunctional catalase-peroxidase. Hydroperoxidase II (HPII) is only catalytically active toward H202. Expression of the genes encoding these proteins is controlled by different regimes. HPJI is thought to be a hexamer, having one heme d cis group per enzymatic subunit. HPII wild type protein and heme containing mutant proteins were obtained from the laboratory of P. Loewen (Univ. of Manitoba). Mutants constructed by oligonucleotidedirected mutagenesis were targeted for replacement of either the His128 residue or the Asn201 residue in the vicinity of the HPII heme crevice. His128 is the residue thought to be analogous to the His74 distal axial ligand of the heme in the bovine liver enzyme, and Asn201 is believed to be a residue critical to the function of the enzyme because of its role in orienting and interacting with the substrate molecule. Investigation of the nature of the hemes via absorption spectroscopy of the unmodified catalase proteins and their derived pyridine hemochromes showed that while the bovine and Saccharomyces cerevisiae catalase enzymes are protoheme-containing, the HPII wild type protein contains heme d, and the mutant proteins contain either solely protoheme, or heme d-protoheme mixtures. Cyanide binding studies supported this, as ligand binding was monophasic for the bovine, Saccharomyces cerevisiae, and wild type HPII enzymes, but biphasic for several of the HPII mutant proteins. Several mammalian catalases, and at least two prokaryotic catalases, are known to be NADPH binding. The function of this cofactor appears to be the prevention of inactivation of the enzyme, which occurs via formation of the inactive secondary catalase peroxide compound (compound II). No physiologically plausible scheme has yet been proposed for the NADPH mediation of catalase activity. This study has shown, via fluorescence and affinity chromatography techniques, that NADPH binds to the T (Typical) and A (Atypical) catalases of Saccharomyces cerevisiae, and that wild type HPII apparently does not bind NADPH. This study has also shown that NADPH is unlike any other hydrogen donor to catalase, and addresses its features as a unique donor by proposing a mechanism whereby NADPH is oxidized and catalase is protected from inactivation via the formation of protein radical species. Migration of this radical to a position close to the NADPH is also proposed as an adjunct hypothesis, based on similar electron migrations that are known to occur within metmyoglobin and cytochrome c peroxidase when reacted with H202. Validation of these hypotheses may be obtained in appropriate future experiments.

Etude théorique des propriétés électroniques et optiques des super-réseaux de Si/SiO2

FRANCAIS: L'observation d'une intense luminescence dans les super-réseaux de Si/SiO2 a ouvert de nouvelles avenues en recherche théorique des matériaux à base de silicium, pour des applications éventuelles en optoélectronique. Le silicium dans sa phase cristalline possède un gap indirect, le rendant ainsi moins intéressant vis-à-vis d'autres matériaux luminescents. Concevoir des matériaux luminescents à base de silicium ouvrira donc la voie sur de multiples applications. Ce travail fait état de trois contributions au domaine. Premièrement, différents modèles de super-réseaux de Si/SiO2 ont été conçus et étudiés à l'aide de calculs ab initio afin d'en évaluer les propriétés structurales, électroniques et optiques. Les deux premiers modèles dérivés des structures cristallines du silicium et du dioxyde de silicium ont permis de démontrer l'importance du rôle de l'interface Si/SiO2 sur les propriétés optiques. De nouveaux modèles structurellement relaxés ont alors été construits afin de mieux caractériser les interfaces et ainsi mieux évaluer la portée du confinement sur les propriétés optiques. Deuxièmement, un gap direct dans les modèles structurellement relaxés a été obtenu. Le calcul de l'absorption (par l'application de la règle d'or de Fermi) a permis de confirmer que les propriétés d'absorption (et d'émission) du silicium cristallin sont améliorées lorsque celui-ci est confiné par le SiO2. Un décalage vers le bleu avec accroissement du confinement a aussi été observé. Une étude détaillée du rôle des atomes sous-oxydés aux interfaces a de plus été menée. Ces atomes ont le double effet d'accroître légèrement le gap d'énergie et d'aplanir la structure électronique près du niveau de Fermi. Troisièmement, une application directe de la théorique des transitions de Slater, une approche issue de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour des ensembles, a été déterminée pour le silicium cristallin puis comparée aux mesures d'absorption par rayons X. Une très bonne correspondance entre cette théorie et l'expérience est observée. Ces calculs ont été appliqués aux super-réseaux afin d'estimer et caractériser leurs propriétés électroniques dans la zone de confinement, dans les bandes de conduction.

Étude des mécanismes d’inactivation des microorganismes suite à un traitement à l’ozone

Une partie du travail a mené a un dépôt de brevet.

POCN-type Pincer Complexes of NiII and NiIII : synthesis, reactivities, catalytic activities and physical properties

Cette thèse décrit la synthèse, la caractérisation, les réactivités, et les propriétés physiques de complexes divalents et trivalents de Ni formés à partir de nouveaux ligands «pincer» de type POCN. Les ligands POCN de type amine sont préparés d’une façon simple et efficace via l’amination réductrice de 3-hydroxybenzaldéhyde avec NaBH4 et plusieurs amines, suivie par la phosphination de l’amino alcool résultant pour installer la fonction phosphinite (OPR2); le ligand POCN de type imine 1,3-(i-Pr)2PC6H4C(H)=N(CH2Ph) est préparé de façon similaire en faisant usage de PhCH2NH2 en l’absence de NaBH4. La réaction de ces ligands «pincer» de type POCN avec NiBr2(CH3CN)x en présence d’une base résulte en un bon rendement de la cyclométalation du lien C-H situé en ortho aux fonctions amine et phosphinite. Il fut découvert que la base est essentielle pour la propreté et le haut rendement de la formation des complexes «pincer» désirés. Nous avons préparé des complexes «pincer» plan- carrés de type POCN, (POCNRR΄)NiBr, possédant des fonctions amines secondaires et tertiaires qui démontrent des réactivités différentes selon les substituants R et R΄. Par exemple, les complexes possédant des fonctions amines tertiaires ArCH2NR2 (NR2= NMe2, NEt2, and morpholinyl) démontrent des propriétés rédox intéressantes et pourraient être convertis en leurs analogues trivalents (POCNR2)NiBr2 lorsque réagis avec Br2 ou N-bromosuccinimide (NBS). Les complexes trivalents paramagnétiques à 17 électrons adoptent une géométrie de type plan-carré déformée, les atomes de Br occupant les positions axiale et équatoriale. Les analyses «DSC» et «TGA» des ces composés ont démontré qu’ils sont thermiquement stables jusqu’à ~170 °C; tandis que la spectroscopie d’absorption en solution a démontré qu’ils se décomposent thermiquement à beaucoup plus basse température pour regénérer les complexes divalents ne possédant qu’un seul Br; l’encombrement stérique des substitutants amines accélère cette route de décomposition de façon significative. Les analogues NMe2 et N(morpholinyl) de ces espèces de NiIII sont actifs pour catalyser la réaction d’addition de Kharasch, de CX4 à des oléfines telles que le styrène, tandis qu’il fut découvert que l’analogue le moins thermiquement stable (POCNEt2)Ni est complètement inerte pour catalyser cette réaction. Les complexes (POCNRH)NiBr possédant des fonctions amines secondaires permettent l’accès à des fonctions amines substituées de façon non symétrique via leur réaction avec des halogénures d’alkyle. Un autre avantage important de ces complexes réside dans la possibilité de déprotonation pour préparer des complexes POCN de type amide. De telles tentatives pour déprotoner les fonctions NRH nous ont permis de préparer des espèces dimériques possédant des ligands amides pontants. La nature dimérique des ces complexes [P,C,N,N-(2,6-(i-Pr)2PC6H3CH2NR)Ni]2 (R= PhCH2 et Ph) fut établie par des études de diffraction des rayons-X qui ont démontré différentes géométries pour les cœurs Ni2N2 selon le substituant N : l’analogue (PhCH2)N possède une orientation syn des substitutants benzyles et un arrangement ressemblant à celui du cyclobutane du Ni et des atomes d’azote, tandis que l’analogue PhN adopte un arrangement de type diamant quasi-planaire des atomes du Ni et des atomes d’azote et une orientation anti des substituants phényles. Les espèces dimériques ne se dissocient pas en présence d’alcools, mais elles promouvoient l’alcoolyse catalytique de l’acrylonitrile. De façon intéressante, les rendements de ces réactions sont plus élevés avec les alcools possédant des fonctions O-H plus acides, avec un nombre de «turnover» catalytique pouvant atteindre 2000 dans le cas de m-cresol. Nous croyons que ces réactions d’alcoolyse procèdent par activation hétérolytique de l’alcool par l’espèce dimérique via des liaisons hydrogènes avec une ou deux des fonctions amides du dimère. Les espèces dimériques de Ni (II) s’oxydent facilement électrochimiquement et par reaction avec NBS ou Br2. De façon surprenante, l’oxydation chimique mène à l’isolation de nouveaux produits monomériques dans lesquels le centre métallique et le ligand sont oxydés. Le mécanisme d’oxydation fut aussi investigué par RMN, «UV-vis-NIR», «DFT» et spectroélectrochimie.

Dynamique des photoexcitations de nanostructures supramoléculaires d'oligothiophènes

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Études des fuites excitoniques dans des familles de boîtes quantiques d'InAs/InP par PLRT par addition de fréquences

Ce mémoire porte sur les mécanismes de relaxation et de fuite des excitons dans des systèmes de boîtes quantiques(BQs) d’InAs/InP. Les systèmes sont composés d’un sub- strat volumique d’InP, appelé matrice (M), d’un puits quantique d’InAs, nommé couche de mouillage (CM), et des familles de BQs d’InAs. La distinction entre les familles est faite par le nombre de monocouche d’épaisseur des boîtes qui sont beaucoup plus larges que hautes. Une revue de littérature retrace les principaux mécanismes de relaxation et de fuite des excitons dans les systèmes. Ensuite, différents modèles portant sur la fuite thermique des excitons des BQs sont comparés. Les types de caractérisations déjà produites et les spécifications des croissances des échantillons sont présentés. L’approche adoptée pour ce mémoire a été de caractériser temporellement la dynamique des BQs avec des mesures d’absorbtion transitoire et de photoluminescence résolue en temps (PLRT) par addition de fréquences. L’expérience d’absorption transitoire n’a pas fait ressortir de résultats très probants, mais elle est expliquée en détails. Les mesures de PLRT ont permis de suivre en température le temps de vie effectif des excitons dans des familles de BQs. Ensuite, avec un modèle de bilan détaillé, qui a été bien explicité, il a été possible d’identifier le rôle de la M et de la CM dans la relaxation et la fuite des excitons dans les BQs. Les ajustements montrent plus précisément que la fuite de porteurs dans les BQs se fait sous la forme de paires d’électrons-trous corrélées.

Dynamique de croissance par plasma RF magnétron des couches minces à base d’oxyde de zinc

Le but de cette thèse était d’étudier la dynamique de croissance par pulvérisation par plasma RF magnétron des couches minces à base d’oxyde de zinc destinées à des applications électroniques, optoélectroniques et photoniques de pointe. Dans ce contexte, nous avons mis au point plusieurs diagnostics permettant de caractériser les espèces neutres et chargées dans ce type de plasmas, notamment la sonde électrostatique, la spectroscopie optique d’émission et d’absorption, ainsi que la spectrométrie de masse. Par la suite, nous avons tenté de corréler certaines caractéristiques physiques de croissance des couches de ZnO, en particulier la vitesse de dépôt, aux propriétés fondamentales du plasma. Nos résultats ont montré que l’éjection d’atomes de Zn, In et O au cours de la pulvérisation RF magnétron de cibles de Zn, ZnO et In2O3 n’influence que très peu la densité d’ions positifs (et donc la densité d’électrons en supposant la quasi-neutralité) ainsi que la fonction de distribution en énergie des électrons (populations de basse et haute énergie). Cependant, le rapport entre la densité d’atomes d’argon métastables (3P2) sur la densité électronique décroît lorsque la densité d’atomes de Zn augmente, un effet pouvant être attribué à l’ionisation des atomes de Zn par effet Penning. De plus, dans les conditions opératoires étudiées (plasmas de basse pression, < 100 mTorr), la thermalisation des atomes pulvérisés par collisions avec les atomes en phase gazeuse demeure incomplète. Nous avons montré que l’une des conséquences de ce résultat est la présence d’ions Zn+ suprathermiques près du substrat. Finalement, nous avons corrélé la quantité d’atomes de Zn pulvérisés déterminée par spectroscopie d’émission avec la vitesse de dépôt d’une couche mince de ZnO mesurée par ellipsométrie spectroscopique. Ces travaux ont permis de mettre en évidence que ce sont majoritairement les atomes de Zn (et non les espèces excitées et/ou ioniques) qui gouvernent la dynamique de croissance par pulvérisation RF magnétron des couches minces de ZnO.