Coordination of phosphido-boratabenzene ligands to transition metals

Environ 90% des composés produits industriellement sont fabriqués à l’aide de catalyseurs. C’est pourquoi la conception de catalyseurs toujours plus performants pour améliorer les procédés industriels actuels est toujours d’intérêt. De la grande variété de complexes avec des métaux de transition rapportés jusqu’à présent, les complexes zwitterioniques attirent notre attention par leurs activités catalytiques souvent supérieures aux complexes cationiques normaux. Un complexe métallique zwitterionique est un fragment métal-ligand neutre où la charge positive est située sur le centre métallique et où la charge négative est délocalisée sur un des ligands liés au métal. Nous proposons la synthèse de ligands anioniques phosphine comportant des groupements borates et boratabenzènes. Cette dernière espèce est un cycle à 6 membres où l’un des atomes de carbone est remplacé par un atome de bore et qui est négativement chargé. La capacité de ces phosphines anioniques à se lier à un centre métallique à l’aide de la paire libre du phosphore est due à la nature du lien P-B qui défavorise l’interaction entre la paire libre du phosphore et l’orbitale p vide du bore. Les propriétés de di-tert-butylphosphido-boratabenzène (DTBB) comme ligand phosphine anionique hautement donneur et encombré ainsi que la découverte de ses modes de coordination inhabituels pour stabiliser les métaux de transition insaturés ont été étudiés au cours de ce travail. De nouvelles perspectives sur les modes de coordination de phosphido-boratabenzène et la force de l’interaction du lien P-B seront discutées ainsi que les applications catalytiques. Nous avons d’abord étudié la coordination η1 avec des complexes de fer, ce qui nous a fourni des données quantitatives précieuses sur la capacité du DTBB d’agir comme ligand très donneur par rapport aux autres ligands donneurs bien connus. La capacité du DTBB à changer de mode de coordination pour soutenir les besoins électroniques du métal a été démontrée par la découverte d’une nouvelle espèce ferrocenyl phosphido-boratabenzène et sa nucléophilie a été étudiée. Au meilleur de notre connaissance, aucun exemple d’un ligand boratabenzène coordonné aux métaux du groupe 11 n’existe dans la littérature. Voilà pourquoi nous avons décidé d’explorer les modes de coordination du ligand DTBB avec Cu(I), Ag(I) et Au(I). A notre grande surprise, le ligand DTBB est capable de stabiliser les métaux du groupe 11 aux états d’oxydation faibles par une liaison MP qui est une coordination du type η1, un mode de coordination guère observé pour les ligands boratabenzène. Pendant nos travaux, notre attention s’est tournée vers la synthèse d’un complexe de rhodium(I) afin de tester son utilité en catalyse. A notre grande satisfaction, le complexe Rh-DTBB agit comme un précatalyseur pour l’hydrogénation des alcènes et alcynes à la température ambiante et à pression atmosphérique et son activité est comparable à celle du catalyseur de Wilkinson. Dans un désir d’élargir les applications de notre recherche, notre attention se tourna vers l’utilisation des composés du bore autres que le boratabenzène. Nous avons décidé de synthétiser une nouvelle espèce phosphido-borate encombrée. Lorsqu’elle réagit avec des métaux, l’espèce phosphido-borate subit un clivage de la liaison P-B. Toutefois, cette observation met en évidence la singularité et les avantages de la stabilité de la liaison P-B lors de l’utilisation du fragment boratabenzène. Ces observations enrichissent notre compréhension des conditions dans lesquelles la liaison P-B du ligand DTBB peut être clivée. Ces travaux ont mené à la découverte d’un nouveau ligand ansa-boratabenzène avec une chimie de coordination prometteuse.

Isolation and structural characterization of fucoidans from the brown algae Fucus vesiculosus

agricultural, pharmaceutical, cosmetic or bioenergy applications. They contain bioactive compounds, namely, polysaccharides Fucoidan. These polysaccharides are mainly constituted by fucose residues and sulfate esters, and have been reported to possess a broad variety of bioactivities, such as anticoagulant, anti-thrombotic, anti-inflammatory, anti-tumor, antiviral and antioxidant. In this work, the fucoidans from brown seaweed Fucus vesiculosus from “Ria de Aveiro” were isolated and characterized in order to add value to this natural resource of the region. The polysaccharides from the algae were extracted with hot water and fractioned by ethanol precipitation and calcium chloride salts. They were further purified by using anion-exchange chromatography, allowing to separate the neutral polysaccharides (laminaranas) from those negatively charged (sulfated fucoidans and alginate). The purified polysaccharides showed high content of fucose (41 mol%) and sulfates (50 mol%), having also galactose residues (6 mol%), which confirm the presence of only sulfated fucoidans. Glycosidic linkages analysis show the presence of high amounts of terminal fucose (25%) and (1→3,4)-Fuc (26%), allowing to infer that the fucoidans were highly branched. These fucoidans are composed also by (1→2)-Fuc (14%) and (1→3)-Fuc linkages (10-16%). In this work it was also tested an alternative extraction technology, the microwave hydrodiffusion and gravity system, where it was possible to extract sugars, although in low yields. However, this methodology allowed to extract polysaccharides, constituted mainly by fucose and uronic acids, as well as mannitol, without the need to add any solvent, obtaining at the end the dry alga. The current work allowed to characterize the structure of the fucoidans isolated from “Ria de Aveiro” F. vesiculosus. The presence of high content of sulfate residues and the high branch degree of the purified fucoidans allow to infer that these polysaccharides could have potential to be studied for biomedical applications, according to their biological activities.

Design of advanced reverse osmosis and nanofiltration membranes for water purification

Most commercially available reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF) membranes are based on the thin film composite (TFC) aromatic polyamide membranes. However, they have several disadvantages including low resistance to fouling, low chemical and thermal stabilities and limited chlorine tolerance. To address these problems, advanced RO/NF membranes are being developed from polyimides for water and wastewater treatments. The following three projects have resulted from my research. (1) Positively charged and solvent resistant NF membranes. The use of solvent resistant membranes to facilitate small molecule separations has been a long standing industry goal of the chemical and pharmaceutical industries. We developed a solvent resistant membrane by chemically cross-linking of polyimide membrane using polyethylenimine. This membrane showed excellent stability in almost all organic solvents. In addition, this membrane was positively charged due to the amine groups remaining on the surface. As a result, high efficiency (> 95%) and selectivity for multivalent heavy metal removal was achieved. (2) Fouling resistant NF membranes. Antifouling membranes are highly desired for “all” applications because fouling will lead to higher energy demand, increase of cleaning and corresponding down time and reduced life-time of the membrane elements. For fouling prevention, we designed a new membrane system using a coating technique to modify membrane surface properties to avoid adsorption of foulants like humic acid. A layer of water-soluble polymer such as polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), polyvinyl sulfate (PVS) or sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK), was adsorbed onto the surface of a positively charged membrane. The resultant membranes have a smooth and almost neutrally charged surface which showed better fouling resistance than both the positively charged NF membranes and commercially available negatively charged NTR-7450 membrane. In addition, these membranes showed high efficiency for removal of multivalent ions (> 95% for both cations and anions). Therefore, these antifouling surfaces can be potentially used for water softening, water desalination and wastewater treatment in a membrane bioreactor (MBR) process. (3) Thermally stable RO membranes. Commercial RO membranes cannot be used at temperature higher than 45°C due to the use of polysulfone substrate, which often limits their applications in industries. We successfully developed polyimides as the membrane substrate for thermally stable RO membranes due to their high thermal resistance. The polyimide-based composite polyamide membranes showed desalination performance comparable to the commercial TFC membrane. However, the key advantage of the polyimide-based membrane is its high thermal stability. As the feed temperature increased from 25oC to 95oC, the water flux increased 5 - 6 times while the salt rejection almost kept constant. This membrane appears to provide a unique solution for hot water desalination and also a feasible way to improve the water productivity by increasing the operating temperature without any drop in salt rejection.

Novas estratégias para entender o sistema de influxo de antibióticos e a resistência antimicrobiana a nível molecular

As fluoroquinolonas são antibióticos que têm um largo espectro de ação contra bactérias, especialmente Gram-negativas. O seu mecanismo de ação assenta na inibição de enzimas responsáveis pela replicação do DNA. Porém, devido ao seu uso indevido, o surgimento de resistência bacteriana a estes antibióticos tem-se tornado um grave problema de saúde pública. Uma vez que os seus alvos de ação se situam no meio intracelular, a redução da permeabilidade da membrana externa de bactérias Gram-negativas constitui um dos mecanismos de resistência mais conhecidos. Esta redução é associada à baixa expressão ou mutações em porinas necessárias para permitir o seu transporte, mais concretamente, da OmpF. Estudos prévios demonstraram que a coordenação de fluoroquinolonas com iões metálicos divalentes e 1,10-fenantrolina (genericamente designados metaloantibióticos) são potenciais candidatos como alternativa às fluoroquinolonas convencionais. Estes metaloantibióticos exibem um efeito antimicrobiano comparável ou superior à fluoroquinolona na forma livre, mas parecem ter uma via de translocação diferente, independente de porinas. Estas diferenças no mecanismo de captura podem ser fundamentais para contornar a resistência bacteriana. De forma a compreender o papel dos lípidos no mecanismo de entrada dos metaloantibióticos, estudou-se a interação e localização dos metaloantibióticos da Ciprofloxacina (2ª geração), da Levofloxacina (3ª geração) e Moxifloxacina (4ª geração) com um modelo de membranas de Escherichia coli desprovido de porinas. Estes estudos foram realizados através de técnicas de espectroscopia de fluorescência, por medições em modo estacionário e resolvida no tempo. Os coeficientes de partição determinados demonstraram uma interação mais elevada dos metaloantibióticos relativamente às respetivas fluoroquinolonas na forma livre, um facto que está diretamente relacionado com as espécies existentes em solução a pH fisiológico. Os estudos de localização mostraram que estes metaloantibióticos devem estar inseridos na membrana bacteriana, confirmando a sua entrada independente de porinas. Este mecanismo de entrada, pela via hidrofóbica, é potenciado por interações eletrostáticas entre as espécies catiónicas de metaloantibiótico que existem a pH 7,4 e os grupos carregados negativamente dos fosfolípidos da membrana. Desta forma, os resultados obtidos neste estudo sugerem que a via de entrada dos metaloantibióticos e das respetivas fluoroquinolonas deve ser diferente. Os metaloantibióticos são candidatos adequados para a realização de mais testes laboratoriais e uma alternativa promissora para substituir as fluoroquinolonas convencionais, uma vez que parecem ultrapassar um dos principais mecanismos de resistência bacteriana a esta classe de antibióticos.

Double hydrophilic polyphosphoester containing copolymers as efficient templating agents for calcium carbonate microparticles

International audience

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Understanding the cation specific effects on the aqueous solubility of amino acids: from mono to polyvalent cations

The interactions established by mono and polyvalent cations in natural media have important implications on the structure formation, function and physico-chemical behavior of biomolecules, playing therefore a critical role in biochemical processes. In order to further elucidate the molecular phenomena behind the cation specific effects in biological environments, and clarify the influence of the charge of the ions, solubility measurements and molecular dynamics simulations were performed for aqueous solutions of three amino acids (alanine, valine and isoleucine), in the presence of a series of inorganic salts comprising mono-, di- and trivalent cations (LiCl, Li2SO4, K2SO4, CaCl2, AlCl3 and Al-2(SO4)(3)). The evidence gathered indicates that the mechanism by which (salting-in inducing) polyvalent cations affect the solubility of amino acids in aqueous solutions is different from that of monovalent cations. A consistent and refined molecular description of the effect of the cation on the solubility of amino acids based on specific interactions of the cations with the negatively charged moieties of the biomolecules is here proposed.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Real-time Biosensor for the Assessment of Nanotoxicity and Cancer Electrotherapy

Knowledge of cell electronics has led to their integration to medicine either by physically interfacing electronic devices with biological systems or by using electronics for both detection and characterization of biological materials. In this dissertation, an electrical impedance sensor (EIS) was used to measure the electrode surface impedance changes from cell samples of human and environmental toxicity of nanoscale materials in 2D and 3D cell culture models. The impedimetric response of human lung fibroblasts and rainbow trout gill epithelial cells when exposed to various nanomaterials was tested to determine their kinetic effects towards the cells and to demonstrate the biosensor’s ability to monitor nanotoxicity in real-time. Further, the EIS allowed rapid, real-time and multi-sample analysis creating a versatile, noninvasive tool that is able to provide quantitative information with respect to alteration in cellular function. We then extended the application of the unique capabilities of the EIS to do real-time analysis of cancer cell response to externally applied alternating electric fields at different intermediate frequencies and low-intensity. Decreases in the growth profiles of the ovarian and breast cancer cells were observed with the application of 200 and 100 kHz, respectively, indicating specific inhibitory effects on dividing cells in culture in contrast to the non-cancerous HUVECs and mammary epithelial cells. We then sought to enhance the effects of the electric field by altering the cancer cell’s electronegative membrane properties with HER2 antibody functionalized nanoparticles. An Annexin V/EthD-III assay and zeta potential were performed to determine the cell death mechanism indicating apoptosis and a decrease in zeta potential with the incorporation of the nanoparticles. With more negatively charged HER2-AuNPs attached to the cancer cell membrane, the decrease in membrane potential would thus leave the cells more vulnerable to the detrimental effects of the applied electric field due to the decrease in surface charge. Therefore, by altering the cell membrane potential, one could possibly control the fate of the cell. This whole cell-based biosensor will enhance our understanding of the responsiveness of cancer cells to electric field therapy and demonstrate potential therapeutic opportunities for electric field therapy in the treatment of cancer.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Cellular ROS imaging with hydro-Cy3 dye is strongly influenced by mitochondrial membrane potential

Background: Hydrocyanines are widely used as fluorogenic probes to monitor reactive oxygen species (ROS) generation in cells. Their brightness, stability to autoxidation and photobleaching, large signal change upon oxidation, pH independence and red/near infrared emission are particularly attractive for imaging ROS in live tissue. Methods: Using confocal fluorescence microscopy we have examined an interference of mitochondrial membrane potential (ΔΨm) with fluorescence intensity and localisation of a commercial hydro-Cy3 probe in respiring and non-respiring colon carcinoma HCT116 cells. Results: We found that the oxidised (fluorescent) form of hydro-Cy3 is highly homologous to the common ΔΨm-sensitive probe JC-1, which accumulates and aggregates only in ‘energised’ negatively charged mitochondrial matrix. Therefore, hydro-Cy3 oxidised by hydroxyl and superoxide radicals tends to accumulate in mitochondrial matrix, but dissipates and loses brightness as soon as ΔΨm is compromised. Experiments with mitochondrial inhibitor oligomycin and uncoupler FCCP, as well as a common ROS producer paraquat demonstrated that signals of the oxidised hydro-Cy3 probe rapidly and strongly decrease upon mitochondrial depolarisation, regardless of the rate of cellular ROS production. Conclusions: While analysing ROS-derived fluorescence of commercial hydrocyanine probes, an accurate control of ΔΨm is required. General significance: If not accounted for, non-specific effect of mitochondrial polarisation state on the behaviour of oxidised hydrocyanines can cause artefacts and data misinterpretation in ROS studies.

The periplasmic domain of the barrel assembly machinery protein A (BamA) from Escherichia coli assists folding of outer membrane protein A

The assembly of outer membranes of the cell wall of Gram-negative bacteria and of various organelles of eukaryotic cells requires the evolutionarily conserved β-barrel-assembly machinery (BAM) complex. This thesis describes the biochemical and biophysical properties of the periplasmic domain of the β-barrel assembly machinery protein A (PD-BamA) of the E. coli BAM complex, its effect on insertion and folding of the Outer membrane protein A (OmpA) into lipid bilayers and the identification of regions of PD-BamA that may be involved in protein-protein interactions. The secondary structure of PD-BamA in mixed lipid bilayers, analyzed by Circular dichroism (CD) spectroscopy, contained less β-sheet at an increased content of phosphatidylglycerol (PG) in the lipid membrane. This result showed membrane binding, albeit only in the presence of negatively charged lipids. Fluorescence spectroscopy demonstrated that PD-BamA only binds to lipid bilayers containing the negatively charged DOPG, confirming the results of CD spectroscopy. PD-BamA did not bind to zwitterionic but overall neutral lipid bilayers. PD-BamA bound to OmpA at a stoichiometry of 1:1. PD-BamA strongly facilitated insertion and folding of OmpA into lipid membranes. Kinetics of PD-BamA mediated folding of OmpA was well described by two parallel folding processes, a fast folding process and a slow folding process, differing by 2-3 orders of magnitude in their rate constants. The folding yields of OmpA depended on the concentration of lipid membranes and also on the lipid head groups. The presence of PD-BamA resulted in increased folding yields of OmpA in negatively charged DOPG, but PD-BamA did not affect the folding kinetics of OmpA into bilayers of zwitterionic but overall neutral lipids. The efficiency of folding and insertion of OmpA into lipid bilayers strongly depended on the ratio PD-BamA/OmpA and was optimal at equimolar concentrations of PD-BamA and OmpA. To examine complexes of unfolded OmpA with PD-BamA in more detail, site-directed spectroscopy was used to explore contact regions in both, PD-BamA and OmpA. Similarly, contact regions were also investigated for another protein complex formed by PD-BamA and the lipoprotein BamD. The obtained data suggest, that the site of interaction on PD-BamA for OmpA might be oriented towards the exterior environment away from the preceding POTRA domains, but that PD-BamA is oriented with its short α-helix α1 of POTRA domain 5 towards the C-terminal end of BamD.

Inkjet-printed poly(N-isopropylacrylamide)/graphene electrodes for selective electroanalytical sensing

The main research topic of the present master thesis consisted in the modification and electrochemical testing of inkjet printed graphene electrodes with a thin polymeric hydrogel layer made of cross-linked poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAM) acting as a functional layer to fabricate selective sensors. The first experimental activities dealt with the synthesis of the polymeric hydrogel and the modification of the active surface of graphene sensors through photopolymerization. Simultaneous inkjet printing and photopolymerization of the hydrogel precursor inks onto graphene demonstrated to be the most effective and reproducible technique for the modification of the electrode with PNIPAAM. The electrochemical performance of the modified electrodes was tested through cyclic voltammetry. Voltammograms with standard redox couples with either positive, neutral or negative charges, suggested an electrostatic filtering effect by the hydrogel blocking negatively charged redox species in near neutral pH electrolyte solutions from reaching the electrode surface. PNIPAAM is a known thermo-responsive polymer, but the variation of temperature did not influence the filtering properties of the hydrogels for the redox couples studied. However, a variation of the filter capacity of the material was observed at pH 2 in which the PNIPAAM hydrogel, most likely in protonated form, became impermeable to positively charged redox species and permeable to negatively charged species. Finally, the filtering capacity of the electrodes modified with PNIPAAM was evaluated for the electrochemical determination of analytes in presence of negatively charge potential interferents, such as antioxidants like ascorbic acid. The outcome of the final experiments suggested the possibility to use the inkjet-printed PNIPAAM thin layer for electroanalytical applications as an electrostatic filter against interferents of opposite charges, typically present in complex matrices, such as food and beverages.

Chitosan as a Bioadhesive Agent Between Porphyrins and Phospholipids in a Biomembrane Model

Porphyrins are currently used in photodynamic therapy as photosensitizers. In this paper we studied the interaction of two charged porphyrins, 5, 10, 15, 20-mesotetrakis(N-metyl-4-pyridyl) porphyrin, (TMPyP/chloride salt) cationic, and 5, 10, 15, 20-meso-tetrakis(sulfonatophenyl) porphyrin, (TPPS(4)/sodium salt) anionic, nanoassembled in phospholipid Langmuir monolayers and Langmuir-Blodgett films. Furthermore, we used chitosan to mediate the interaction between the porphyrins and the model membrane, aiming to understand the role of the polysaccharide in a molecular level. The effect of the interaction of the photosensitizers on the fluidity of the lipid monolayer was investigated by using dilatational surface elasticity. We also used photoluminescence (PL) spectroscopy to identify the porphyrins adsorbed in the phospholipid films. We observed an expansion of the monolayer promoted by the adsorption of the porphyrins into the lipid-air interface which was more pronounced in the case of TMPyP, as a consequence of a strong electrostatic interaction with the anionic monolayer. The chitosan promoted a higher adsorption of the porphyrins on the phospholipid monolayers and enabled the porphyrin to stay in its monomeric form (as confirmed by PL spectroscopy), thus demonstrating that chitosan can be pointed out as a potential photosensitizer delivery system in photodynamic therapy.

Measurement of repulsive forces between charged phospholipid bilayers

Electrostatic forces between membranes containing charged lipids were assumed to play an important role in influencing interactions between membranes long before quantitative measurements of such forces were available. ~ur measurements were designed to measure electrostatic forces between layers of lecithin charged with lipi~s carrying ionizable head groups. These experiments have shown that the interactions between charged lipid bila.yere are dominated by electrostatic forces only at separations greater than 30 A. At smaller separations the repulsion between charged bilayers is dominated by strong hydration forces. The net repulsive force between egg lecithin bilayers containing various amounts of cherged lipids (phosphatidylglycerol (PG) 5,10 ano 50 mole%, phosphatidyli. nosi tol (PI) 10 mole% and sodium oleate (Na-Ol) 3,5 and 10 mole%, where mole% gives the ratio of the number of moles' of .charged lipid to the total number of moles of all lipids present in the sample) was stuoied with the help ('If the osmotic streas technique described by LeNeveu et aI, (1977). Also, the forces between pure PG were j_nvestigated in the same manner. The results have been plotted showing variation of force as a function of bilay- _ er separation dw• All curVes 90 obtained called force curves, were found to be similar in sha.pe, showing two distinct regions, one when dw<.30 A is a region cf very rapid iiivariation of force with separation ( it is the region dominated by hydre,tion force) and second when dw> 40 A is a region of very slow variation of force with separB.tion ( it is the region dominated by the electrostatic force). Between these two regions there exists a transition area in which, in most systems studied, a phase separation of lipids into fractions containing different amounts of charged groups, was observed. A qualitative analysis showed that our results were v/ell described by the simple electrostatic double -le.yer theory. For quantitative agreement between measured and calculated force curves however, the charge density for the calculations had to be taken as half of that given by the number density of charged lipids present in the lecithin bilayers. It is not clear at the moment what causes such low apparent degree of ionization among the charged head groups, and further study is needed in this area.