Changes in enzymes, phenolic compounds, tannins, and vitamin C in various stages of jambolan (Syzygium cumini Lamark) development

The physiological state of a fruit is closely related to ripening and climatic conditions during the growing period when the fruit undergo changes in color, texture, and flavor. The ripening of the fruit can involve a complex series of biochemical reactions with alteration in enzymes activities, phenols, tannins, and ascorbic acid. The activity of enzymes (carboximethylcellulase, polygalacturonase, and pectinlyase), the total concentration of phenolic compounds, condensed tannins, and vitamin C in five stages of maturation were studied. Significant changes were observed between the maturity stages. The phenolic compounds were higher at green stage (705.01 ± 7.41); tannins were higher at green/purple stage (699.45 ± 0.22). The results showed that the ascorbic acid levels of the pulp varied significantly from 50.81 ± 1.43 to 6.61 ± 1.04 mg.100 g-1 during maturation. The specific activity of pectin lyase was higher at green stage (1531.90 ± 5.83). The specific activity of polygalacturonase was higher at mature stage (1.83 ± 0.0018). The specific activity of carboximetilcelulose was higher at ripe mature stage (4.61 ± 0.0024). The low ascorbic acid content found in jambolan fruit indicates that this fruit is not a rich source of this nutrient; however, other characteristics can make jambolan products fit for human consumption.

Oxidative enzymes activity in sugarcane juice as a function of the planting system

In Brazil, the largest producer of sugarcane in the world, the industrial process transforms this crop into ethanol and/or granulated sugar. Some cultivars exhibit enzymatic browning in the extracted sugarcane juice at levels harmful to the manufacturing process of white granulated sugar. The objective of this study was to assess the effect of sugarcane straw used as soil coverage, the use of different planting systems, and treatments with hydrogel polymer on enzymatic activity. The cultivar RB 86 7515 was sampled for 8 months; the first sample was obtained by cutting the upper portion of the stalk at the internode, which was taken to the laboratory for determination of the enzymatic activity of polyphenoloxidase (PPO) and peroxidase (POD). The soil coverage with different forms of straw as well as the planting systems did not change the enzymatic activity of polyphenoloxidase (PPO) and peroxidase (POD). The polyphenoloxidase (PPO) activity increased with the use of a polymer due to increased polyphenoloxidase (PPO) activity in the groove system. The enzymes studied showed changes in activity during the experimental period. The production of sugar at the end of the season (August to November) avoids the periods of highest enzymatic activity.

Adhesion and production of degrading enzymes by bacteria isolated from biofilms in raw milk cooling tanks

Biofilms in milk cooling tanks compromise product quality even on farms. Due to the lack of studies of this topic, this study evaluated the microbiological conditions of raw milk cooling tanks on farms and characterized the microorganisms isolated from these tanks. Samples were wiped off with sterile swabs from seven milk cooling tanks in three different points in each tank. Mesophiles and psychrotrophic counts were performed in all samples. The isolation of Pseudomonas spp., Bacillus cereus and atypical colonies formed on selective media were also performed, totalizing 297 isolates. All isolates were tested for protease and lipase production and biofilm formation. Of the total isolates, 62.9% produced protease, 55.9% produced lipase, and 50.2% produced biofilm. The most widespread genus inside the milk cooling tank was Pseudomonas since it was not possible to associate this contamination with a single sampling point in the equipment. High counts of microorganisms were found in some cooling tanks, indicating poor cleaning of the equipment and providing strong evidences of microbial biofilm presence. Moreover, it is worth mentioning the milk potential contamination with both microbial cells and their degrading enzymes, which compromises milk quality.

Localization and functional characterization of iridoid biosynthetic genes in Catharanthus roseus /

Catharanthus roseus is the sole biological source of the medicinal compounds vinblastine and vincristine. These chemotherapeutic compounds are produced in the aerial organs of the plant, however they accumulate in small amounts constituting only about 0.0002% of the fresh weight of the leaf. Their limited biological supply and high economical value makes its biosynthesis important to study. Vinblastine and vincristine are dimeric monoterpene indole alkaloids, which consists of two monomers vindoline and catharanthine. The monoterpene indole alkaloids (MIA's) contain a monoterpene moiety which is derived from the iridoid secologanin and an indole moiety tryptamine derived from the amino acid tryptophan. The biosynthesis of the monoterpene indole alkaloids has been localized to at least three cell types namely, the epidermis, the laticifer and the internal phloem assisted parenchyma. Carborundum abrasion (CA) technique was developed to selectively harvest epidermis enriched plant material. This technique can be used to harvest metabolites, protein or RNA. Sequencing of an expressed sequence tagged (EST) library from epidermis enriched mRNA demonstrated that this cell type is active in synthesizing a variety of secondary metabolites namely, flavonoids, lipids, triterpenes and monoterpene indole alkaloids. Virtually all of the known genes involved in monterpene indole alkaloid biosynthesis were sequenced from this library.This EST library is a source for many candidate genes involved in MIA biosynthesis. A contig derived from 12 EST's had high similarity (E'^') to a salicylic acid methyltransferase. Cloning and functional characterization of this gene revealed that it was the carboxyl methyltransferase imethyltransferase (LAMT). In planta characterization of LAMT revealed that it has a 10- fold enrichment in the leaf epidermis as compared to the whole leaf specific activity. Characterization of the recombinant enzyme revealed that vLAMT has a narrow substate specificity as it only accepts loganic acid (100%) and secologanic acid (10%) as substrates. rLAMT has a high Km value for its substrate loganic acid (14.76 mM) and shows strong product inhibition for loganin (Kj 215 |iM). The strong product inhibition and low affinity for its substrate may suggest why the iridoid moiety is the limiting factor in monoterpene indole alkaloid biosynthesis. Metabolite profiling of C. roseus organs shows that secologanin accumulates within these organs and constitutues 0.07- 0.45% of the fresh weight; however loganin does not accumulate within these organs suggesting that the product inhibition of loganin with LAMT is not physiologically relevant. The limiting factor to iridoid and MIA biosynthesis seems to be related to the spatial separation of secologanin and the MIA pathway, although secologanin is synthesized in the epidermis, only 2-5% of the total secologanin is found in the epidermis while the remaining secologanin is found within the leaf body inaccessable to alkaloid biosynthesis. These studies emphasize the biochemical specialization of the epidermis for the production of secondary metabolites. The epidermal cells synthesize metabolites that are sequestered within the plant and metabolites that are secreted to the leaf surface. The secreted metabolites comprise the epidermome, a layer separating the plant from its environment.

Thermoacclimatory variations in the activities of enzymes implicated in ion transport in the rainbow trout, salmo gairdneri

Two groups of rainbow trout were acclimated to 20 , 100 , and 18 o C. Plasma sodium, potassium, and chloride levels were determined for both. One group was employed in the estimation of branchial and renal (Na+-K+)-stimulated, (HC0 3-)-stimulated, and CMg++)-dependent ATPase activities, while the other was used in the measurement of carbonic anhydrase activity in the blood, gill and kidney. Assays were conducted using two incubation temperature schemes. One provided for incubation of all preparations at a common temperature of 2S oC, a value equivalent to the upper incipient lethal level for this species. In the other procedure the preparations were incubated at the appropriate acclimation temperature of the sampled fish. Trout were able to maintain plasma sodium and chloride levels essentially constant over the temperature range employed. The different incubation temperature protocols produced different levels of activity, and, in some cases, contrary trends with respect to acclimation temperature. This information was discussed in relation to previous work on gill and kidney. The standing-gradient flow hypothesis was discussed with reference to the structure of the chloride cell, known thermallyinduced changes in ion uptake, and the enzyme activities obtained in this study. Modifications of the model of gill lon uptake suggested by Maetz (1971) were proposed; high and low temperature models resulting. In short, ion transport at the gill at low temperatures appears to involve sodium and chloride 2 uptake by heteroionic exchange mechanisms working in association w.lth ca.rbonlc anhydrase. G.l ll ( Na + -K + ) -ATPase and erythrocyte carbonic anhydrase seem to provide the supplemental uptake required at higher temperatures. It appears that the kidney is prominent in ion transport at low temperatures while the gill is more important at high temperatures. 3 Linear regression analyses involving weight, plasma ion levels, and enzyme activities indicated several trends, the most significant being the interrelationship observed between plasma sodium and chloride. This, and other data obtained in the study was considered in light of the theory that a link exists between plasma sodium and chloride regulatory mechanisms.

Cell wall degrading enzymes and interaction between Trichoderma Aggressivum and Agaricus Bisporus

Agaricus bisporus is the most commonly cultivated mushroom in North America and has a great economic value. Green mould is a serious disease of A. bisporus and causes major reductions in mushroom crop production. The causative agent of green mould disease in North America was identified as Trichoderma aggressivum f. aggressivum. Variations in the disease resistance have been shown in the different commercial mushroom strains. The purpose of this study is to continue investigations of the interactions between T. aggressivum and A. bisporus during the development of green mould disease. The main focus of the research was to study the roles of cell wall degrading enzymes in green mould disease resistance and pathogenesis. First, we tried to isolate and sequence the N-acetylglucosaminidase from A. bisporus to understand the defensive mechanism of mushroom against the disease. However, the lack of genomic and proteomic information of A. bisporus limited our efforts. Next, T. aggressivum cell wall degrading enzymes that are thought to attack Agaricus and mediate the disease development were examined. The three cell wall degrading enzymes genes, encoding endochitinase (ech42), glucanase (fJ-1,3 glucanase) and protease (prb 1), were isolated and sequenced from T. aggressivum f. aggressivum. The sequence data showed significant homology with the corresponding genes from other fungi including Trichoderma species. The transcription levels of the three T. aggressivum cell wall degrading enzymes were studied during the in vitro co-cultivation with A. bisporus using R T -qPCR. The transcription levels of the three genes were significantly upregulated compared to the solitary culture levels but were upregulated to a lesser extent in co-cultivation with a resistant strain of A. bisporus than with a sensitive strain. An Agrobacterium tumefaciens transformation system was developed for T. aggressivum and was used to transform three silencing plasmids to construct three new T. aggressivum phenotypes, each with a silenced cell wall degrading enzyme. The silencing efficiency was determined by RT-qPCR during the individual in vitro cocultivation of each of the new phenotypes with A. bisporus. The results showed that the expression of the three enzymes was significantly decreased during the in vitro cocultivation when compared with the wild type. The phenotypes were co-cultivated with A. bisporus on compost with monitoring the green mould disease progression. The data indicated that prbi and ech42 genes is more important in disease progression than the p- 1,3 glucanase gene. Finally, the present study emphasises the role of the three cell wall degrading enzymes in green mould disease infection and may provide a promising tool for disease management.

Intracellular antioxidant and DNA repair enzymes as correlates of stress resistance and longevity in vertebrates

In animals, both stress resistance and longevity appear to be influenced by the insulin/insulin-like growth factor-l signaling (lIS) pathway, the basic organization of which is highly conserved from invertebrates to vertebrates. Reduced lIS or genetic disruption of the lIS pathway leads to the activation of forkhead box transcription factors, which is thought to upregulate the expression of genes involved in enhancing stress resistance, including perhaps key antioxidant enzymes as well as DNA repair enzymes. Enhanced antioxidant and DNA repair capacities may underlie the enhanced cellular stress resistance observed in long-lived animals, however little data is available that directly supports this idea. I used three. experimental approaches to test the association of intracellular antioxidant and DNA base excision repair (BER) capacities with stress resistance and longevity: (1) a comparison of multiple vertebrate endotherm species of varying body masses and longevities; (2) a comparison of long-lived Snell dwarf mice and their normallittermates; and (3) a comparison of hypometabolic animals undergoing hibernation or estivation with their active counterparts. The activities of the five major intracellular antioxidant enzymes as well as the two rate-limiting enzymes in the BER pathway, apurininc/apyrimidinic (AP) endonuclease and polymerase ~, were measured. These measurements were performed in one or more of the following: (1) cultured dermal fibroblasts; (2) brain tissue; (3) heart tissue; (4) liver tissue. My results indicate that antioxidant enzymes are not universally upregulated in association with enhanced stress resistance and longevity. I also did not find that BER enzyme activity was positively correlated with longevity, in an inter-species context, though there was evidence for enhanced BER in long-lived Snell dwarf mice. Thus, while there were instances in which enhanced antioxidant and BER enzyme activities were associated with increased stress resistance and/or longevity, this was not universally the case, indicating that other mechanisms must be involved. These results suggest the need to re-examine existing 'oxidative stress' hypotheses of longevity and probe further into the molecular physiology of longevity to discover its mechanistic basis.

Functional Characterization of Monoterpenoid Indole Alkaloid (MIA) Biosynthetic Genes in Catharanthus roseus

The monoterpenoid indole alkaloids (MIAs) of Madagascar periwinkle (Catharanthus roseus) are known to be among the most important source of natural drugs used in various cancer chemotherapies. MIAs are derived by combining the iridoid secologanin with tryptamine to form the central precursor strictosidine that is then converted to most known MIAs, such as catharanthine and vindoline that dimerize to form anticancer vinblastine and vincristine. While their assembly is still poorly understood, the complex multistep pathways involved occur in several specialized cell types within leaves that are regulated by developmental and environmental cues. The organization of MIA pathways is also coupled to secretory mechanisms that allow the accumulation of catharanthine in the waxy leaf surface, separated from vindoline found within leaf cells. While the spatial separation of catharanthine and vindoline provides an explanation for the low levels of dimeric MIAs found in the plants, the secretion of catharanthine to the leaf surface is shown to be part of plant defense mechanisms against fungal infection and insect herbivores. The transcriptomic databases of Catharanthus roseus and various MIA producing plants are facilitating bioinformatic approaches to identify novel MIA biosynthetic genes. Virus-induced gene silencing (VIGS) is being used to screen these candidate genes for their involvement in iridoid biosynthesis pathway, especially in the identification of 7-deoxyloganic acid 7-hydroxylase (CrDL7H) shown by the accumulation of its substrate, 7-deoxyloganic acid and decreased level of secologanin along with catharanthine and vindoline. VIGS can also confirm the biochemical function of genes being identified, such as in the glucosylation of 7-deoxyloganetic acid by CrUGT8 shown by decreased level of secologanin and MIAs within silenced plants. Silencing of other iridoid biosynthetic genes, loganic acid O-methyltransferase (LAMT) and secologanin synthase (SLS) also confirm the metabolic route for iridoid biosynthesis in planta through 7-deoxyloganic acid, loganic acid, and loganin intermediates. This route is validated by high substrate specificity of CrUGT8 for 7-deoxyloganetic acid and CrDL7H for 7-deoxyloganic acid. Further localization studies of CrUGT8 and CrDL7H also show that these genes are preferentially expressed within Catharanthus leaves rather than in epidermal cells where the last two steps of secologanin biosynthesis occur.

Investigation into the relationships between molecular chaperones, mitochondrial antioxidant enzymes, and endothermic vertebrate longevity

The maximum lifespan (MLSP) of endothermic vertebrates can range from as little as a year to over two centuries, yet the underlying phenotype of aging is very similar amongst this group of organisms. One organelle that may be important in the phenotype of aging is the mitochondrion. When damaged, this organelle is thought to contribute to many of the neurodegenerative diseases of aging. For this thesis, mitochondria from brain tissues of 7 mammalian and 2 avian species were isolated to assess whether the antioxidant glutathione system and major molecular chaperone, HSP60, is correlated to species MLSP. Furthermore, HSP60, and the major endoplasmic reticulum chaperone, GRP78, were measured under basal conditions, and following the introduction of an oxidative stress (hydrogen peroxide) in cultured mammalian myoblasts from 10 different species. My results indicate that the enzymes involved in the glutathione defense system are not correlated to species MLSP in brain mitochondria; however HSP60 levels are indeed higher in the longer-lived species. HSP60 levels are also higher at the basal level in cultured mammalian myoblasts and after 1 hour of hydrogen peroxide exposure. GRP78 induction is not correlated to species MLSP at the basal level or following hydrogen peroxide exposure. Therefore, these results suggest that HSP60 is a correlate of longevity in endothermic vertebrate species, but neither the glutathione antioxidant defense system, nor GRP78, correlates to species longevity.

Mirroring Enzymes: The Role of H-Bonding In HQuin-BAM Catalyzed Asymmetric Aza-Henry Reactions: A DFT Study into the Reactivity, Mechanism, and Origins of Selectivity

The exact mechanistic understanding of various organocatalytic systems in asymmetric reactions such as Henry and aza-Henry transformations is important for developing and designing new synthetic organocatalysts. The focus of this dissertation will be on the use of density functional theory (DFT) for studying the asymmetric aza-Henry reaction. The first part of the thesis is a detailed mechanistic investigation of a poorly understood chiral bis(amidine) (BAM) Brønsted acid catalyzed aza-Henry reaction between nitromethane and N-Boc phenylaldimine. The catalyst, in addition to acting as a Brønsted base, serves to simultaneously activate both the electrophile and the nucleophile through dual H-bonding during C-C bond formation and is thus essential for both reaction rate and selectivity. Analysis of the H-bonding interactions revealed that there was a strong preference for the formation of a homonuclear positive charge-assisted H-bond, which in turn governed the relative orientation of substrate binding. Attracted by this well-defined mechanistic investigation, the other important aspect of my PhD research addressed a detailed theoretical analysis accounting for the observed selectivity in diastereoselective versions of this reaction. A detailed inspection of the stereodetermining C-C bond forming transition states for monoalkylated nitronate addition to a range of electronically different aldimines, revealed that the origins of stereoselectivity were controlled by a delicate balance of different factors such as steric, orbital interactions, and the extent of distortion in the catalyst and substrates. The structural analysis of different substituted transition states established an interesting dependency on matching the shape and size of the catalyst (host molecule) and substrates (guest molecules) upon binding, both being key factors governing selectivity, in essence, offering an analogy to positive cooperative binding effect of catalytic enzymes and substrates in Nature. In addition, both intra-molecular (intra-host) and inter-molecular (host-guest, guest-guest) stabilizing interactions play a key role to the high π-facial selectivity. The application of dispersion-corrected functionals (i.e., ωB97X-D and B3LYP-D3) was essential for accurately modeling these stabilizing interactions, indicating the importance of dispersion effects in enantioselectivity. As a brief prelude to more extensive future studies, the influence of a triflate counterion on both reactivity and selectivity in this reaction was also addressed.

Étude de la fonction ovarienne chez les souris déficientes des enzymes hyaluronidases

Les mammifères femelles naissent avec un très grand nombre de follicules ovariens primordiaux (104-106); par contre, la grande majorité (99%) de ces follicules n’atteignent jamais la maturité et subissent l’atrésie, principalement par l’apoptose des cellules de la granulosa. Notre laboratoire a démontré que les hyaluronidases des mammifères induisent l’apoptose des cellules de la granulosa et sont impliquées dans l’atrésie des follicules mais que cet effet apoptotique ne serait pas dû à leur activité enzymatique. Notre modèle propose que les hyaluronidases aient un rôle dans les follicules non destinés à ovuler. Le but de la présente étude est d’évaluer la folliculogénèse et la fertilité des souris déficientes de ces enzymes. Les résultats montrent que la délétion de Hyal-3 ne semble pas affecter la fonction ovarienne des souris mais qu’il pourrait y avoir un effet compensatoire par Hyal-1 chez les souris déficientes de Hyal-3 étant donné que son expression est augmentée chez ces souris. La délétion de Hyal-1 a pour effet d’augmenter le nombre des follicules primordiaux, primaires et secondaires, particulièrement chez les souris de bas âge, et de diminuer le niveau d’apoptose des cellules de la granulosa. Afin d’évaluer la fonction de Hyal-1, -2 et -3 sans effet compensatoire entre elles, nous avons voulu créer une souris déficiente des ces 3 hyaluronidases spécifiquement dans les gonades en utilisant le système Cre/loxP. Un vecteur contenant la séquence Cre sous le contrôle du promoteur de Inhibin-α, qui conduit l’expression des gènes en aval chez les cellules somatiques des gonades, a été construit avec succès. En conclusion, cette étude nous révèle que Hyal-3 ne semble pas affecter la fonction ovarienne mais que la délétion de Hyal-1 augmente la folliculogénèse et diminue l’apoptose des cellules de la granulosa.

Effet de l’insuffisance rénale chronique sur les enzymes du cytochrome P450 dans le cerveau de rat

Introduction: Nous avons déjà montré que l’insuffisance rénale chronique (IRC) entraîne une régulation négative du cytochrome P450 (CYP450) dans le foie et l’intestin de rat. La présente étude cherche à déterminer l’effet de l’IRC sur l’expression des enzymes du CYP450 dans le cerveau de rat. L’expression génique, protéique ainsi que l’activité des isoenzymes du CYP450 ont été analysées dans différentes régions du cerveau (hippocampe, cervelet, cortex et parenchyme cérébral) afin de déterminer l’effet de l’insuffisance rénale chronique sur le métabolisme cérébral des médicaments par le CYP450. Méthodes: Le cerveau entier de rats atteints d’IRC (induite par une néphrectomie sub-totale 5/6) et de rats témoins (laparotomie blanche) a été disséqué en 4 parties (cortex, cervelet, hippocampe et parenchyme cérébral). L’expression protéique et celle de l’ARNm des isoformes 1A, 2C11, 2D, 3A et 4A du cytochrome P450 a été étudiée respectivement par immunobuvardage de type Western et PCR en Temps Réel. L’activité du CYP3A a été mesurée par le métabolisme du DFB en DFH sur des préparations de microsomes de cerveau. Une technique de culture cellulaire d’astrocytes a été mise au point et a permis d’évaluer l’expression des enzymes dans ces cellules suite à l’incubation des astrocytes avec le sérum de rats atteints d’insuffisance rénale chronique. Résultats: Chez les rats atteints d’IRC, les niveaux géniques de CYP1A, 2C et 3A sont diminués d’au moins 40% (p < 0,05) dans presque toutes les parties étudiées. Les niveaux d’ARNm du CYP2D demeurent inchangés. De plus, une diminution significative d’au moins 45% (p < 0,05) de l’expression protéique des CYP1A, 2C et 3A est observée dans presque toutes les structures étudiées. L’activité enzymatique de CYP3A est diminuée significativement dans le cerveau de rats IRC, ainsi que l’expression des enzymes du CYP2C11 dans les astrocytes en culture lorsqu’incubés avec du sérum de rat urémique. Conclusions: Ces études démontrent que le cerveau est également affecté par l’IRC. Ceci se traduit par une diminution de l’expression protéique, génique, ainsi que de l’activité des enzymes du CYP450. Cette diminution pourrait expliquer une augmentation des effets secondaires dans le système nerveux central en IRC.

Marquage fluorescent des protéines pour étudier les enzymes protéolytiques solubles et immobilisées par la cartographie peptidique électrophorétique

La cartographie peptidique est une méthode qui permet entre autre d’identifier les modifications post-traductionnelles des protéines. Elle comprend trois étapes : 1) la protéolyse enzymatique, 2) la séparation par électrophorèse capillaire (CE) ou chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC) des fragments peptidiques et 3) l’identification de ces derniers. Cette dernière étape peut se faire par des méthodes photométriques ou par spectrométrie de masse (MS). Au cours de la dernière décennie, les enzymes protéolytiques immobilisées ont acquis une grande popularité parce qu’elles peuvent être réutilisées et permettent une digestion rapide des protéines due à un rapport élevé d’enzyme/substrat. Pour étudier les nouvelles techniques d’immobilisation qui ont été développées dans le laboratoire du Professeur Waldron, la cartographie peptidique par CE est souvent utilisée pour déterminer le nombre total de peptides détectés et leurs abondances. La CE nous permet d’avoir des séparations très efficaces et lorsque couplée à la fluorescence induite par laser (LIF), elle donne des limites de détection qui sont 1000 fois plus basses que celles obtenues avec l’absorbance UV-Vis. Dans la méthode typique, les peptides venant de l’étape 1) sont marqués avec un fluorophore avant l’analyse par CE-LIF. Bien que la sensibilité de détection LIF puisse approcher 10-12 M pour un fluorophore, la réaction de marquage nécessite un analyte dont la concentration est d’au moins 10-7 M, ce qui représente son principal désavantage. Donc, il n’est pas facile d’étudier les enzymes des peptides dérivés après la protéolyse en utilisant la technique CE-LIF si la concentration du substrat protéique initial est inférieure à 10-7 M. Ceci est attribué à la dilution supplémentaire lors de la protéolyse. Alors, afin d’utiliser le CE-LIF pour évaluer l’efficacité de la digestion par enzyme immobilisée à faible concentration de substrat,nous proposons d’utiliser des substrats protéiques marqués de fluorophores pouvant être purifiés et dilués. Trois méthodes de marquage fluorescent de protéine sont décrites dans ce mémoire pour étudier les enzymes solubles et immobilisées. Les fluorophores étudiés pour le marquage de protéine standard incluent le naphtalène-2,3-dicarboxaldéhyde (NDA), la fluorescéine-5-isothiocyanate (FITC) et l’ester de 6-carboxyfluorescéine N-succinimidyl (FAMSE). Le FAMSE est un excellent réactif puisqu’il se conjugue rapidement avec les amines primaires des peptides. Aussi, le substrat marqué est stable dans le temps. Les protéines étudiées étaient l’-lactalbumine (LACT), l’anhydrase carbonique (CA) et l’insuline chaîne B (INB). Les protéines sont digérées à l’aide de la trypsine (T), la chymotrypsine (CT) ou la pepsine (PEP) dans leurs formes solubles ou insolubles. La forme soluble est plus active que celle immobilisée. Cela nous a permis de vérifier que les protéines marquées sont encore reconnues par chaque enzyme. Nous avons comparé les digestions des protéines par différentes enzymes telles la chymotrypsine libre (i.e., soluble), la chymotrypsine immobilisée (i.e., insoluble) par réticulation avec le glutaraldéhyde (GACT) et la chymotrypsine immobilisée sur billes d’agarose en gel (GELCT). Cette dernière était disponible sur le marché. Selon la chymotrypsine utilisée, nos études ont démontré que les cartes peptidiques avaient des différences significatives selon le nombre de pics et leurs intensités correspondantes. De plus, ces études nous ont permis de constater que les digestions effectuées avec l’enzyme immobilisée avaient une bonne reproductibilité. Plusieurs paramètres quantitatifs ont été étudiés afin d’évaluer l’efficacité des méthodes développées. La limite de détection par CE-LIF obtenue était de 3,010-10 M (S/N = 2,7) pour la CA-FAM digérée par GACT et de 2,010-10 M (S/N = 4,3) pour la CA-FAM digérée par la chymotrypsine libre. Nos études ont aussi démontrées que la courbe d’étalonnage était linéaire dans la région de travail (1,0×10-9-1,0×10-6 M) avec un coefficient de corrélation (R2) de 0,9991.

Semisynthetic aminoglycoside antibiotics : toward biomimetic synthesis, evasion of bacterial resistance and reduced toxicity

Les antibiotiques aminoglycosidiques sont des agents bactéricides de grande valeur et d’efficacité à large spectre contre les pathogènes Gram-positifs et Gram-négatifs, dont plusieurs membres naturels et semisynthétiques sont importants dans l’histoire clinique depuis 1950. Des travaux crystallographiques sur le ribosome, récompensés par le prix Nobel, ont démontré comment leurs diverses structures polyaminées sont adaptées pour cibler une hélice d’ARN dans le centre de codage de la sous-unité 30S du ribosome bactérien. Leur interférence avec l’affinité et la cinétique des étapes de sélection et vérification des tARN induit la synthèse de protéines à basse fidélité, et l’inhibition de la translocation, établissant un cercle vicieux d’accumulation d’antibiotique et de stress sur la membrane. En réponse à ces pressions, les pathogènes bactériens ont évolué et disséminé une panoplie de mécanismes de résistance enzymatiques et d’expulsion : tels que les N acétyltransférases, les O phosphotransférases et les O nucleotidyltransférases qui ciblent les groupements hydroxyle et amino sur le coeur des aminoglycosides; des méthyl-transférases, qui ciblent le site de liaison ribosomale; et des pompes d’expulsion actives pour l’élimination sélective des aminoglycosides, qui sont utilisés par les souches Gram-négatives. Les pathogènes les plus problématiques, qui présentent aujourd’hui une forte résilience envers la majorité des classes d’antibiotiques sur le bord de la pan-résistance ont été nommés des bactéries ESKAPE, une mnémonique pour Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa et Enterobacteriaceae. La distribution globale des souches avec des mécanismes de résistance envers les standards cliniques aminoglycosides, tels que la tobramycine, l’amikacine et la gentamicine, est comprise entre 20 et 60% des isolées cliniques. Ainsi, les aminoglycosides du type 4,6-disubstitués-2-deoxystreptamine sont inadéquats comme thérapies anti-infectieuses à large spectre. Cependant, la famille des aminoglycosides 4,5-disubstitués, incluant la butirosine, la neomycine et la paromomycine, dont la structure plus complexe, pourrait constituter une alternative. Des collègues dans le groupe Hanessian et collaborateurs d’Achaogen Inc. ont démontré que certains analogues de la paraomomycine et neomycine, modifiés par désoxygénation sur les positions 3’ et 4’, et par substitution avec la chaîne N1-α-hydroxy-γ-aminobutyramide (HABA) provenant de la butirosine, pourrait produire des antibiotiques très prometteurs. Le Chapitre 4 de cette dissertation présente la conception et le développement d’une stratégie semi-synthétique pour produire des nouveaux aminoglycosides améliorés du type 4,5 disubstitués, inspiré par des modifications biosynthétiques de la sisomicine, qui frustrent les mécanismes de résistance bactérienne distribuées globalement. Cette voie de synthèse dépend d’une réaction d’hydrogénolyse de type Tsuji catalysée par palladium, d’abord développée sur des modèles monosaccharides puis subséquemment appliquée pour générer un ensemble d’aminoglycosides hybrides entre la neomycine et la sisomicine. Les études structure-activité des divers analogues de cette nouvelle classe ont été évaluées sur une gamme de 26 souches bactériennes exprimant des mécanismes de résistance enzymatique et d’expulsion qui englobe l’ensemble des pathogènes ESKAPE. Deux des antibiotiques hybrides ont une couverture antibacterienne excellente, et cette étude a mis en évidence des candidats prometteurs pour le développement préclinique. La thérapie avec les antibiotiques aminoglycosidiques est toujours associée à une probabilité de complications néphrotoxiques. Le potentiel de toxicité de chaque aminoglycoside peut être largement corrélé avec le nombre de groupements amino et de désoxygénations. Une hypothèse de longue date dans le domaine indique que les interactions principales sont effectuées par des sels des groupements ammonium, donc l’ajustement des paramètres de pKa pourrait provoquer une dissociation plus rapide avec leurs cibles, une clairance plus efficace et globalement des analogues moins néphrotoxiques. Le Chapitre 5 de cette dissertation présente la conception et la synthèse asymétrique de chaînes N1 HABA β substitutées par mono- et bis-fluoration. Des chaînes qui possèdent des γ-N pKa dans l’intervalle entre 10 et 7.5 ont été appliquées sur une neomycine tétra-désoxygénée pour produire des antibiotiques avancés. Malgré la réduction considérable du γ N pKa, le large spectre bactéricide n’a pas été significativement affecté pour les analogues fluorés isosteriques. De plus, des études structure-toxicité évaluées avec une analyse d’apoptose propriétaire d’Achaogen ont démontré que la nouvelle chaîne β,β difluoro-N1-HABA est moins nocive sur un modèle de cellules de rein humain HK2 et elle est prometteuse pour le développement d’antibiotiques du type neomycine avec des propriétés thérapeutiques améliorées. Le chapitre final de cette dissertation présente la proposition et validation d’une synthèse biomimétique par assemblage spontané du aminoglycoside 66-40C, un dimère C2 symétrique bis-imine macrocyclique à 16 membres. La structure proposée du macrocycle a été affinée par spectroscopie nucléaire à un système trans,trans-bis-azadiène anti-parallèle. Des calculs indiquent que l’effet anomérique de la liaison α glycosidique entre les anneaux A et B fournit la pré-organisation pour le monomère 6’ aldéhydo sisomicine et favorise le produit macrocyclique observé. L’assemblage spontané dans l’eau a été étudié par la dimérisation de trois divers analogues et par des expériences d’entre croisement qui ont démontré la généralité et la stabilité du motif macrocyclique de l'aminoglycoside 66-40C.

Supercomplexes multifonctionnels chez les mitochondries, et chez E. coli

Les processus mitochondriaux tels que la réplication et la traduction sont effectués par des complexes multiprotéiques. Par contre, le métabolisme et la voie de maturation des ARN mitochondriaux (p. ex précurseurs des ARNt et des ARNr) sont habituellement traités comme une suite de réactions catalysées par des protéines séparées. L’exécution fidèle et optimale de ces processus mitochondriaux, exige un couplage étroit nécessaire pour la canalisation des intermédiaires métaboliques. Or, les évidences en faveur de l'interconnexion postulée de ces processus cellulaires sont peu nombreuses et proviennent en grande partie des interactions protéine-protéine. Contrairement à la perception classique, nos résultats révèlent l’organisation des fonctions cellulaires telles que la transcription, la traduction, le métabolisme et la régulation en supercomplexes multifonctionnels stables, dans les mitochondries des champignons (ex Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus nidulans et Neurospora crassa), des animaux (ex Bos taurus), des plantes (B. oleracea et Arabidopsis thaliana) et chez les bactéries (ex E. coli) à partir desquelles les mitochondries descendent. La composition de ces supercomplexes chez les champignons et les animaux est comparable à celle de levure, toutefois, chez les plantes et E. coli ils comportent des différences notables (ex, présence des enzymes spécifiques à la voie de biosynthèse des sucres et les léctines chez B. oleracea). Chez la levure, en accord avec les changements dûs à la répression catabolique du glucose, nos résultats révèlent que les supercomplexes sont dynamiques et que leur composition en protéines dépend des stimulis et de la régulation cellulaire. De plus, nous montrons que l’inactivation de la voie de biosynthèse des lipides de type II (FASII) perturbe l’assemblage et/ou la biogenèse du supercomplexe de la RNase P (responsable de la maturation en 5’ des précurseurs des ARNt), ce qui suggère que de multiples effets pléiotropiques peuvent être de nature structurale entre les protéines. Chez la levure et chez E. coli, nos études de la maturation in vitro des précurseurs des ARNt et de la protéomique révèlent l’association de la RNase P avec les enzymes de la maturation d’ARNt en 3’. En effet, la voie de maturation des pré-ARNt et des ARNr, et la dégradation des ARN mitochondriaux semblent êtres associées avec la machinerie de la traduction au sein d’un même supercomplexe multifonctionnel dans la mitochondrie de la levure. Chez E. coli, nous avons caractérisé un supercomplexe similaire qui inclut en plus de la RNase P: la PNPase, le complexe du RNA degradosome, l’ARN polymérase, quatre facteurs de transcription, neuf aminoacyl-tRNA synthétases, onze protéines ribosomiques, des chaperons et certaines protéines métaboliques. Ces résultats supposent l’association physique de la transcription, la voie de maturation et d’aminoacylation des ARNt, la dégradation des ARN. Le nombre de cas où les activités cellulaires sont fonctionnellement et structurellement associées est certainement à la hausse (ex, l’éditosome et le complexe de la glycolyse). En effet, l’organisation en supercomplexe multifonctionnel représente probablement l’unité fonctionnelle dans les cellules et les analyses de ces super-structures peuvent devenir la prochaine cible de la biologie structurale.