Therapeutics bioconjugates: evaluation of iminoboronates as payload delivery system for cancer

The advent of bioconjugation impacted deeply the world of sciences and technology. New biomolecules were found, biological processes were understood, and novel methodologies were formed due to the fast expansion of this area. The possibility of creating new effective therapies for diseases like cancer is one of big applications of this now big area of study. Off target toxicity was always the problem of potent small molecules with high activity towards specific tumour targets. However, chemotherapy is now selective due to powerful linkers that connect targeting molecules with affinity to interesting biological receptors and cytotoxic drugs. This linkers must have very specific properties, such as high stability in plasma, no toxicity, no interference with ligand affinity nor drug potency, and at the same time, be able to lyse once inside the target molecule to release the therapeutic warhead. Bipolar environments between tumour intracellular and extracellular medias are usually exploited by this linkers in order to complete this goal. The work done in this thesis explores a new model for that same task, specific cancer drug delivery. Iminoboronates were studied due to its remarkable selective stability towards a wide pH range and endogenous molecules. A fluorescence probe was design to validate this model by creating an Off/On system and determine the payload release location in situ. A process was optimized to synthetize the probe 8-(1-aminoethyl)-7-hydroxy-coumarin (1) through a reductive amination reaction in a microwave reactor with 61 % yield. A method to conjugate this probe to ABBA was also optimized, obtaining the iminoboronate in good yields in mild conditions. The iminoboronate model was studied regarding its stability in several simulated biological environments and each half-life time was determined, showing the conjugate is stable most of the cases except in tumour intracellular systems. The construction of folate-ABBA-coumarin bioconjugate have been made to complete this evaluation. The ability to be uptaken by a cancer cell through endocytosis process and the conjugation delivery of coumarin fluorescence payload are two features to hope for in this construct.

Fluorometric monitoring of the properties of proteins entrapped in sol-gel derived matrices

The successful development of stable biosensors incorporating entrapped proteins suffers from poor understanding of the properties of the entrapped biomolecules. This thesis reports on the use of fluorescence spectroscopy to investigate the properties of proteins entrapped in sol-gel processed silicate materials. Two different single tryptophan (Trp) proteins were investigated in this thesis, the Ca2 + binding protein cod III parvalbumin (C3P) and the salicylate binding protein human serum albumin (HSA). Furthermore, the reactive single cysteine (Cys) residue within C3P and HSA were labelled with the probes iodoacetoxynitrobenzoxadiazole (C3P) and acrylodan (C3P and HSA) to further examine the structure, stability and function of the free and entrapped proteins. The results show that both C3P and HSA can be successfully entrapped into sol-gelderived matrices with retention of function and conformational flexibility.

SYNTHESIS OF CYCLIC AZOBENZENE ANALOGUES FOR INCORPORATION INTO OLIGONUCLEOTIDES, PEPTIDES AND POLYMERS

(A) In recent years, considerable amount of effort has contributed towards enhancing our understanding of the new photoswitch, cyclic azobenzene, particularly from the theoretical point of view. However, the challenging part with this system was poor efficiency of its synthesis from 2,2’- dinitrodibenzyl and lack of effective methods for further modification which would be useful to incorporate this system into biomolecules as a photoswitch. We report the synthesis of cyclic azobenzene and analogues from 2,2’-dinitrodibenzyl, which would allow for further incorporation of this cyclic azobenzene into biomolecules. Reaction of 2,2’-dinitrodibenzyl with zinc metal powder in the presence of triethylammonium formate buffer (pH-9.5) gave a cyclic azoxybenzene, 11,12-dihydrodibenzo[c,g][1,2]diazocine-5-oxide. The latter compound was converted into cyclic azobenzene analogues (bromo-, chloro-, cyano-, and carboxyl) through subsequent transformations. The carboxylic acid analogue was reacted with D-threoninol to give the corresponding amide, which readily undergoes photo-isomerization upon illumination with light. Upon illumination with light at 400 nm, approximately 70% of cis- isomer of amide was isomerized to trans- isomer. It was observed that cis- to trans- isomerization reached the maximum steady state of light transmission after approximately 40 min, whereas the trans- to cis- isomerization approximately acquired in 2 h to regain full recovery of light transmission. Cyclic azobenzene phosphoramidite was synthesized from DMT-protected D-threoninol linked cyclic azobenzene. (B) In recent years, there has been considerable interest invested towards the synthesis of azobenzene analogues for incorporation into proteins. Among the many azobenzene analogues, the synthesis of bi-functional cyclic azobenzene analogues for the incorporation into proteins is relatively new. In this thesis, we report the synthesis of a cyclic azobenzene biscarboxylic acid from 4-(bromomethyl)benzonitrile. (C) Azobenzene has been widely used in the field of polymer science to study the surface morphology and surface properties of polymers. In this thesis, we report the incorporation of cyclic azobenzene into a commercial polymer 2- (hydroxyethyl)methacrylate. Samples collected after 24 h from the reaction solution showed approximately 9% of incorporation of cyclic azobenzene into polymer compared to samples collected after 10 h, which showed approximately 6% incorporation.

Propriétés optiques et analytiques des nanotrous : vers la conception de biocapteurs en résonance des plasmons de surface localisés

Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur.

Monocouches peptidiques auto-assemblées et applications dans le domaine des biocapteurs de résonance de plasmon de surfaces

Ces travaux visent à étendre les applications de la résonance de plasmons de surface (SPR) L’objectif est d’offrir des outils diagnostics plus rapides, efficaces et simple d’utilisation pour diagnostiquer ou effectuer le suivi de conditions cliniques. Pour se faire, un nouveau type d’instrumentation SPR basé sur l’utilisation d’un prisme d’inversion (dove) a permis d’atteindre une limite de détection (LOD) de 10-6 unité d’indice de réfraction (RIU), une valeur comparable aux instruments commerciaux complexes tout en demeurant peu dispendieux, robuste et simple d’utilisation. Les travaux présentés dans cet ouvrage visent, dans un second temps, à réduire les interactions nonspécifiques (NSB) entre la surface des biocapteurs SPR et les composants de la matrice biologique complexe telles que: l’urine, le lysat cellulaire, le sérum et le sang. Ces dernières induisent des réponses empêchant l’utilisation de biocapteurs SPR en milieux complexes. Les acides aminés (AA) offrent une grande variété de propriétés physico-chimiques permettant la mise au point de monocouches auto-assemblées (SAM) aux propriétés diverses. Initialement, 19 des 20 acides aminés naturels ont été attachés à l’acide 3-mercaptopropionique (3-MPA) formant des SAMs peptidomimétiques. La quantité d’interactions nonspécifiques engendrées par ces différentes surfaces a été mesurée en exposant ces surfaces au sérum sanguin bovin complet variant de 400 ng/cm² jusqu’à 800 ng/cm². La détection à l’aide de ces surfaces de la β-lactamase (une enzyme responsable de la résistance aux antibiotiques au niveau μM) a démontré la possibilité d’employer ces surfaces pour bâtir des biocapteurs SPR. Des peptides de longueur allant de 2 à 5 résidus attachés à 3-MPA ont été synthétisés sur support solide. Cette étude a démontré que l’augmentation de la longueur des peptides formés d’AA résistants aux NBS accroit leur résistance jusqu’à 5 résidus. Le composé le plus performant de ce type (3-MPA-(Ser)5-OH) a permis d’atteindre 180 ng/cm². Cette valeur est similaire à celle des meilleures surfaces disponibles commercialement, notamment les surfaces de polyethylène glycol (PEG) à 100 ng/cm². Des surfaces de 3-MPA-(Ser)5-OH ont permis l’étalonnage de la β-lactamase et sa quantification directe dans un lysat cellulaire. La LOD pour ces biocapteurs est de 10 nM. Une troisième génération de surfaces peptidiques binaires a permis la réduction de la NSB jusqu’à un niveau de 23±10 ng/cm² une valeur comparable aux meilleures surfaces disponibles. Ces surfaces ont permis l’étalonnage d’un indicateur potentiel du cancer la metalloprotéinase-3 de matrice (MMP-3). Les surfaces formées de peptides binaires (3-MPA-H3D2-OH) ont permis la quantification directe de la MMP-3 dans le sérum sanguin complet. Une quatrième génération de surfaces peptidiques a permis de réduire davantage le niveau de NSB jusqu’à une valeur de 12 ± 11 ng/cm². Ces surfaces ont été modifiées en y attachant une terminaison de type acide nitriloacétique (NTA) afin d’y attacher des biomolécules marquées par six résidus histidines terminaux. Ces surfaces ont permis le développement d’une méthode rapide de balayage des ligands ciblant le « cluster of differenciation-36 » (CD36). L’étude d’électroformation des monocouches de peptide a permis de déterminer les conditions de formation optimales d’une couche de 3-MPA-HHHDD-OH permettant ainsi la formation de monocouches résistantes au NSB en moins de 6 minutes en appliquant un potentiel de formation de 200mV vs Ag/AgCl.

Propriétés des monocouches auto-assemblées du liquide ionique 1-(12-mercaptododécyl)-3-méthylimidazolium

Les propriétés d'une nouvelle classe de chimie de surface basée sur les monocouches auto-assemblées de liquides ioniques (ILs-SAMs), ont été étudiées pour une utilisation dans la construction de biocapteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Les biocapteurs sont utiles pour détecter des biomolécules spécifiques dans une matrice biologique complexe. Cependant, le signal analytique de la biomolécule spécifique peut être masqué par l’adsorption non spécifique de la matrice biologique, produisant une réponse faussement positive. Par ailleurs, l'activité des récepteurs moléculaires est souvent réduite par des techniques d'immobilisation chimique. Ainsi, il est essentiel de déterminer une surface idéale pour la préparation de biocapteurs. Les liquides ioniques sont bien connus pour favoriser l'activité des récepteurs moléculaires et cette étude enquête si cette propriété importante peut se traduire sur des capteurs SPR. Différents liquides ioniques ont été utilisés pour former des monocouches auto-assemblées sur une surface d'or. Les ILs-SAMs sont tous basés sur les sels de mercapto-(chaîne alkyle)nCH2-méthylimidazolium avec différentes chaînes alkyles (n = 3, 6, 9, 12) et différents contre-anions (Br-, BF4-, PF6-, NTf2-). Des études cinétiques de l'adsorption non spécifique de sérum bovin ont été réalisées sur des capteurs SPR avec un instrument construit sur mesure, basé sur l'interrogation des longueurs d’ondes SPR sur un prisme d’inversion d’image (dove). Par la suite, l’anti-IgG de chèvre sélective à l’IgG humain a été utilisé en tant que modèle pour la confection de biocapteurs sur les ILs-SAMs. En solution, il est possible d’effectuer des échanges du contre-anion des liquides ioniques pour un contre-anion de plus en plus hydrophobe. Cependant, l’échange inverse, soit vers des anions de plus en plus hydrophile, s’avère impossible. Toutefois, il a été observé par les travaux présentés dans ce mémoire, que les liquides ioniques immobilisés sur une surface d'or ont la capacité d'échanger leurs contre-anions réversiblement, procurant une méthode simple de moduler leurs propriétés physico-chimiques. Ce phénomène a été observé par la mesure d’angles de contacts et par les techniques spectroscopiques de l’infrarouge moyen (mid-IR), des photoélectrons de rayon-X (XPS) et par la diffusion Raman exaltée par les surfaces (SERS) ii ainsi que par la spectrométrie de masse (MS). La connaissance des propriétés d’échange d’anion est importante pour prédire le comportement de ces surfaces de liquides ioniques dans les tampons et fluides biologiques.

Development of an enzyme immobilization platform based on microencapsulation for paper-based biosensors

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs.

Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.

Développement d’outils analytiques pour la détection de biomolécules directement dans des fluides sanguins

Cette thèse porte sur le développement de biocapteurs basés sur la technique de résonance des plasmons de surface (SPR) pour effectuer des analyses directement dans un fluide sanguin n’ayant subi aucune purification ou dilution. L’ensemble des biocapteurs discutés exploiteront un instrument SPR portable développé dans le groupe du professeur Masson. Le premier volet de la thèse portera sur le processus d’interférence lié à l’adsorption non spécifique du sérum à la surface du capteur. L’analyse des biomolécules adsorbées sera effectuée en combinant la SPR à la spectrométrie de masse. Les informations obtenues seront exploitées pour la construction de biocapteurs adaptés à l’analyse en milieu sanguin. Un premier biocapteur développé ciblera la protéine antigène prostatique spécifique (APS) contenue dans le sérum servant de biomarqueur pour dépister le cancer de la prostate. Pour détecter les faibles concentrations de cette protéine directement dans le sérum, un matériel plasmonique microstructuré sera utilisé pour amplifier les signaux obtenus et sera recouvert d’une monocouche peptidique minimisant l’adsorption non spécifique du sérum. L’instrument SPR aura été adapté pour permettre également la détection simultanée de fluorescence. Un test ELISA sera ainsi effectué en parallèle du test SPR. Chacune des techniques fournira un contrôle pour la deuxième, tout en permettant de détecter le biomarqueur au niveau requis pour dépister la maladie. La combinaison des deux méthodes permettra aussi d’élargir la gamme dynamique du test de dépistage. Pour terminer, l’instrument SPR portable sera utilisé dans le cadre de détection de petites biomolécules ayant un potentiel thérapeutique directement dans un échantillon de sang. Des peptides ayant une activité anti-athérosclérotique pourront ainsi être détectés à même un échantillon de sang ni purifié ni dilué, et ce à des concentrations de l’ordre du micromolaire. Une modification de la microfluidique via l’introduction d’une membrane poreuse au cœur de celle-ci sera la clé permettant d’effectuer de telles analyses. La présente thèse met de l’avant de nouvelles stratégies et des modifications instrumentales permettant d’analyser des protéines et des petites molécules directement dans un échantillon non purifié de sérum ou de sang. Les modifications apportées au système fluidique, à l’instrument SPR et au niveau du biocapteur employé permettront d’effectuer des biodétections dans des matrices aussi complexes que les fluides sanguins. Les présents travaux mettent en lumière la capacité d’un instrument SPR/fluorescence portable à faire en 12 minutes la biodétection d’un marqueur du cancer de la prostate directement dans un échantillon de sérum. Finalement, on rapporte ici un des premiers articles où un biocapteur SPR est utilisé à même un échantillon de sang non-purifié pour faire des biodétections.

Unusual autofluorescence characteristic of cultured red-rain cells

The red cells found in the red rain in Kerala, India are now considered as a possible case of extraterrestrial life form. These cells can undergo rapid replication even at an extreme high temperature of 300 deg C. They can also be cultured in diverse unconventional chemical substrates. The molecular composition of these cells is yet to be identified. This paper reports the unusual autofluorescence characteristic of the cultured red rain cells. A spectrofluorimetric study has been performed to investigate this, which shows a systematic shift of the fluorescence emission peak wavelength as the excitation wavelength is increased. Conventional biomolecules are not known to have this property. Details of this investigation and the results are discussed.

Fabrication of Electrochemical Sensors for the Determination of Pharmaceuticals

Voltammetric sensors are an important class of electrochemical sensors in which the analytical information is obtained from the measurement of current obtained as a result of electrochemical oxidation/reduction.This current is proportional to the concentration of the analyte.Chemically modified electrodes(CMEs) have great significance as important analytical tools for the electrochemical determination of pharmaceuticals.The modification of electrode results in efficient determination of electro-active biomolecules at very lower potential without its major interferences.The operation mechanism of CMEs depends on the properties of the modifier materials that are used to promote selectivity towards the target analytes.Modified electrodes can be prepared by deposition of various compounds such as organic compounds ,conducting polymers,metal oxides,etc. on the various electrode surfaces.The thesis presents the development ,electrochemical characterization and analytical application studies of eight voltammetric sensors developed for six drugs viz.,Ambroxol,Sulfamethoxazole,PAM Chloride, Lamivudine,Metronidazole and Nimesulide.The modification techniques adopted as part of the present work include Multiwalled Carbon Nanotube(MWCNT) based modification.Electropolymerisation and Gold Nanoparticle (AuNP) based modifications.

Design of Cyclophanes: Synthesis and Study of Photophysical and Biomolecular Recognition Properties

Development of organic molecules that exhibit selective interactions with different biomolecules has immense significance in biochemical and medicinal applications. In this context, our main objective has been to design a few novel functionaIized molecules that can selectively bind and recognize nucleotides and DNA in the aqueous medium through non-covalent interactions. Our strategy was to design novel cycIophane receptor systems based on the anthracene chromophore linked through different bridging moieties and spacer groups. It was proposed that such systems would have a rigid structure with well defined cavity, wherein the aromatic chromophore can undergo pi-stacking interactions with the guest molecules. The viologen and imidazolium moieties have been chosen as bridging units, since such groups, can in principle, could enhance the solubility of these derivatives in the aqueous medium as well as stabilize the inclusion complexes through electrostatic interactions.We synthesized a series of water soluble novel functionalized cyclophanes and have investigated their interactions with nucleotides, DNA and oligonucIeotides through photophysical. chiroptical, electrochemical and NMR techniques. Results indicate that these systems have favorable photophysical properties and exhibit selective interactions with ATP, GTP and DNA involving electrostatic. hydrophobic and pi-stacking interactions inside the cavity and hence can have potential use as probes in biology.

Investigations on novel polymer nano composites and bio-compatible manganese doped ZnS nanocrystals for photonic and bio-imaging applications

Fluorescence is a powerful tool in biological research, the relevance of which relies greatly on the availability of sensitive and selective fluorescent probes. Nanometer sized fluorescent semiconductor materials have attracted considerable attention in recent years due to the high luminescence intensity, low photobleaching, large Stokes’ shift and high photochemical stability. The optical and spectroscopic features of nanoparticles make them very convincing alternatives to traditional fluorophores in a range of applications. Efficient surface capping agents make these nanocrystals bio-compatible. They can provide a novel platform on which many biomolecules such as DNA, RNA and proteins can be covalently linked. In the second phase of the present work, bio-compatible, fluorescent, manganese doped ZnS (ZnS:Mn) nanocrystals suitable for bioimaging applications have been developed and their cytocompatibility has been assessed. Functionalization of ZnS:Mn nanocrystals by safe materials results in considerable reduction of toxicity and allows conjugation with specific biomolecules. The highly fluorescent, bio-compatible and water- dispersible ZnS:Mn nanocrystals are found to be ideal fluorescent probes for biological labeling

Design Of Metal Architectures: Synthesis And Study Of Their Photophysical And Biomolecular Recognition Properties

Design and study of molecular receptors capable of mimicking natural processes has found applications in basic research as well as in the development of potentially useful technologies. Of the various receptors reported, the cyclophanes are known to encapsulate guest molecules in their cavity utilizing various non–covalent interactions resulting in significant changes in their optical properties. This unique property of the cyclophanes has been widely exploited for the development of selective and sensitive probes for a variety of guest molecules including complex biomolecules. Further, the incorporation of metal centres into these systems added new possibilities for designing receptors such as the metallocyclophanes and transition metal complexes, which can target a large variety of Lewis basic functional groups that act as selective synthetic receptors. The ligands that form complexes with the metal ions, and are capable of further binding to Lewis-basic substrates through open coordination sites present in various biomolecules are particularly important as biomolecular receptors. In this context, we synthesized a few anthracene and acridine based metal complexes and novel metallocyclophanes and have investigated their photophysical and biomolecular recognition properties.

Catalysis by Enzymes immobilized on Tuned Mesoporous Silica

Mesoporous silica nanoparticles provide a non-invasive and biocompatible delivery platform for a broad range of applications in therapeutics, pharmaceuticals and diagnosis. Additionally, mesoporous silica materials can be synthesized together with other nanomaterials to create new nanocomposites, opening up a wide variety of potential applications. The ready functionalization of silica materials makes them ideal candidates for bioapplications and catalysis. These properties of mesoporous silica like high surface areas, large pore volumes and ordered pore networks allow them for higher loading of drugs or biomolecules. Comparative studies have been made to evaluate the different procedures; much of the research to date has involved quick exploration of new methods and supports. Requirements for different enzymes may vary, and specific conditions may be needed for a particular application of an immobilized enzyme such as a highly rigid support. In this endeavor, mesoporous silica materials having different pore size were synthesized and easily modified with active functional groups and were evaluated for the immobilization of enzymes. In this work, Aspergillus niger glucoamylase, Bovine liver catalase, Candida rugosa lipase were immobilized onto support by adsorption and covalent binding. The structural properties of pure and immobilized supports are analyzed by various characterization techniques and are used for different reactions of industrial applications.