Engineering polyhydroxyalkanoate content and monomer composition in the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica by modifying the ß-oxidation multifunctional protein.

Recombinant strains of the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica expressing the PHA synthase gene (PhaC) from Pseudomonas aeruginosa in the peroxisome were found able to produce polyhydroxyalkanoates (PHA). PHA production yield, but not the monomer composition, was dependent on POX genotype (POX genes encoding acyl-CoA oxidases) (Haddouche et al. FEMS Yeast Res 10:917-927, 2010). In this study of variants of the Y. lipolytica β-oxidation multifunctional enzyme, with deletions or inactivations of the R-3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase domain, we were able to produce hetero-polymers (functional MFE enzyme) or homo-polymers (with no 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase activity) of PHA consisting principally of 3-hydroxyacid monomers (>80%) of the same length as the external fatty acid used for growth. The redirection of fatty acid flux towards β-oxidation, by deletion of the neutral lipid synthesis pathway (mutant strain Q4 devoid of the acyltransferases encoded by the LRO1, DGA1, DGA2 and ARE1 genes), in combination with variant expressing only the enoyl-CoA hydratase 2 domain, led to a significant increase in PHA levels, to 7.3% of cell dry weight. Finally, the presence of shorter monomers (up to 20% of the monomers) in a mutant strain lacking the peroxisomal 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase domain provided evidence for the occurrence of partial mitochondrial β-oxidation in Y. lipolytica.

Identification of Ligands for the Tau Exon 10 Splicing Regulatory Element RNA Using Dynamic Combinatorial Chemistry

We describe the use of dynamic combinatorial chemistry (DCC) to identify ligands for the stem-loop structure located at the exon 10-5'-intron junction of Tau pre-mRNA, which is involved in the onset of several tauopathies including frontotemporal dementia with Parkinsonism linked to chromosome 17 (FTDP-17). A series of ligands that combine the small aminoglycoside neamine and heteroaromatic moieties (azaquinolone and two acridines) have been identified by using DCC. These compounds effectively bind the stem-loop RNA target (the concentration required for 50% RNA response (EC(50)): 2-58 μM), as determined by fluorescence titration experiments. Importantly, most of them are able to stabilize both the wild-type and the +3 and +14 mutated sequences associated with the development of FTDP-17 without producing a significant change in the overall structure of the RNA (as analyzed by circular dichroism (CD) spectroscopy), which is a key factor for recognition by the splicing regulatory machinery. A good correlation has been found between the affinity of the ligands for the target and their ability to stabilize the RNA secondary structure.

Revêtement anti-apoptotique à base de chondroïtine sulfate : vers un stent-graft bioactif

La réparation endovasculaire (EVAR) est une technique minimalement invasive permettant de traiter l’anévrisme de l’aorte abdominale (AAA) par l’entremise d’un stent- graft (SG). L’utilisation d’EVAR est actuellement limitée par de fréquentes complications liées à une guérison inadéquate autour de l’implant. Ce manque de guérison est principalement dû au type de recouvrement polymérique des SG, au milieu pro-apoptotique des AAA et à l’accès réduit aux nutriments et à l’oxygène après EVAR. L’objectif de cette thèse consistait à concevoir un revêtement bioactif permettant d’inhiber l’apoptose et stimuler la croissance des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV), pour ainsi favoriser la guérison des tissus vasculaires autour des SG. La chondroïtine-4-sulfate (CS) a d’abord été choisie, car elle a été identifiée comme un médiateur important de la réparation vasculaire. Il a été démontré que la CS en solution influence directement la résistance à l’apoptose des CMLV, en plus de favoriser la différenciation myofibroblastique chez les fibroblastes. Dans le cadre de ce projet, un premier revêtement à base de CS et de collagène a été créé. Bien que le revêtement permettait d’induire une résistance à l’apoptose chez les CMLV, il se désintégrait trop rapidement dans des conditions aqueuses. Une nouvelle méthodologie a donc été adaptée afin de greffer la CS directement sur des surfaces aminées, à l’aide d’un système utilisant un carbodiimide. Dans le but d’accroître la croissance des CMLV à la surface des revêtements, le facteur de croissance de l’épiderme (EGF) a ensuite été sélectionné. En plus de ses propriétés mitogéniques et chimiotactiques, l’EGF stimule la production d’éléments de la matrice extracellulaire, comme le collagène et la fibronectine. De plus, l’activation du récepteur de l’EGF inhibe également l’apoptose des CMLV. L’EGF a donc été greffé sur la CS. Le revêtement de CS+EGF a démontré une bonne uniformité et bioactivité sur des surfaces de verre aminé. iii iv Dans une 3ème étape, afin de permettre de transposer ce revêtement bioactif sur des implants, plusieurs méthodes permettant de créer des groupements d’amines primaires sur les biomatériaux polymériques comme le PET ou le ePTFE ont été étudiées. La polymérisation par plasma a été choisie pour créer le revêtement CS+EGF à la surface de PET. Une fois de plus, celui-ci a permis d’inhiber l’apoptose des CMLV, dans des conditions pro-apoptotiques, et de favoriser la croissance des cellules. Le revêtement de CS et d’EGF, déposé sur des surfaces aminées, possède des caractéristiques biologiques intéressantes et semble donc prometteur pour favoriser une meilleure guérison autour des SG.

Clustering algorithms and shape factor methods to discriminate among small GTPase phenotypes using DIC image analysis.

Naïvement perçu, le processus d’évolution est une succession d’événements de duplication et de mutations graduelles dans le génome qui mènent à des changements dans les fonctions et les interactions du protéome. La famille des hydrolases de guanosine triphosphate (GTPases) similaire à Ras constitue un bon modèle de travail afin de comprendre ce phénomène fondamental, car cette famille de protéines contient un nombre limité d’éléments qui diffèrent en fonctionnalité et en interactions. Globalement, nous désirons comprendre comment les mutations singulières au niveau des GTPases affectent la morphologie des cellules ainsi que leur degré d’impact sur les populations asynchrones. Mon travail de maîtrise vise à classifier de manière significative différents phénotypes de la levure Saccaromyces cerevisiae via l’analyse de plusieurs critères morphologiques de souches exprimant des GTPases mutées et natives. Notre approche à base de microscopie et d’analyses bioinformatique des images DIC (microscopie d’interférence différentielle de contraste) permet de distinguer les phénotypes propres aux cellules natives et aux mutants. L’emploi de cette méthode a permis une détection automatisée et une caractérisation des phénotypes mutants associés à la sur-expression de GTPases constitutivement actives. Les mutants de GTPases constitutivement actifs Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V ont été analysés avec succès. En effet, l’implémentation de différents algorithmes de partitionnement, permet d’analyser des données qui combinent les mesures morphologiques de population native et mutantes. Nos résultats démontrent que l’algorithme Fuzzy C-Means performe un partitionnement efficace des cellules natives ou mutantes, où les différents types de cellules sont classifiés en fonction de plusieurs facteurs de formes cellulaires obtenus à partir des images DIC. Cette analyse démontre que les mutations Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V induisent respectivement des phénotypes amorphe, allongé, rond et large qui sont représentés par des vecteurs de facteurs de forme distincts. Ces distinctions sont observées avec différentes proportions (morphologie mutante / morphologie native) dans les populations de mutants. Le développement de nouvelles méthodes automatisées d’analyse morphologique des cellules natives et mutantes s’avère extrêmement utile pour l’étude de la famille des GTPases ainsi que des résidus spécifiques qui dictent leurs fonctions et réseau d’interaction. Nous pouvons maintenant envisager de produire des mutants de GTPases qui inversent leur fonction en ciblant des résidus divergents. La substitution fonctionnelle est ensuite détectée au niveau morphologique grâce à notre nouvelle stratégie quantitative. Ce type d’analyse peut également être transposé à d’autres familles de protéines et contribuer de manière significative au domaine de la biologie évolutive.

New insights into the substrate specificities of microbial transglutaminase: a biocatalytic perspective

La transglutaminase microbienne (Microbial transglutaminase : MTG) est fortement exploitée dans l’industrie textile et alimentaire afin de modifier l’apparence et la texture de divers produits. Elle catalyse la formation de liaisons iso-peptidiques entre des protéines par l’entremise d’une réaction de transfert d’acyle entre le groupement γ-carboxamide d’une glutamine provenant d’un substrat donneur d’acyle, et le groupement ε-amino d’une lysine provenant d’un substrat accepteur d’acyle. La MTG est tolérante à un large éventail de conditions réactionnelles, ce qui rend propice le développement de cette enzyme en tant que biocatalyseur. Ayant pour but le développement de la MTG en tant qu’alternative plus soutenable à la synthèse d’amides, nous avons étudié la réactivité d’une gamme de substrats donneurs et accepteurs non-naturels. Des composés chimiquement diversifiés, de faible masse moléculaire, ont été testés en tant que substrats accepteurs alternatifs. Il fut démontré que la MTG accepte une large gamme de composés à cet effet. Nous avons démontré, pour la première fois, que des acides aminés non-ramifiés et courts, tels la glycine, peuvent servir de substrat accepteur. Les α-acides aminés estérifiés Thr, Ser, Cys et Trp, mais pas Ile, sont également réactifs. En étendant la recherche à des composés non-naturels, il fut observé qu’un cycle aromatique est bénéfique pour la réactivité, bien que les substituants réduisent l’activité. Fait notable, des amines de faible masse moléculaire, portant les groupements de forte densité électronique azidure ou alcyne, sont très réactives. La MTG catalyse donc efficacement la modification de peptides qui pourront ensuite être modifiés ou marqués par la chimie ‘click’. Ainsi, la MTG accepte une variété de substrats accepteurs naturels et non-naturels, élargissant la portée de modification des peptides contenant la glutamine. Afin de sonder le potentiel biocatalytique de la MTG par rapport aux substrats donneurs, des analogues plus petits du peptide modèle Z-Gln-Gly furent testés; aucun n’a réagi. Nous avons toutefois démontré, pour la première fois, la faible réactivité d’esters en tant que substrats donneurs de la MTG. L’éventuelle amélioration de cette réactivité permettrait de faire de la MTG un biocatalyseur plus général pour la synthèse d’amides. Mots clés: Lien amide, biocatalyse, biotransformation, transglutaminase, arrimage moléculaire, criblage de substrats, ingénierie de substrats.

Études structurales par résonance magnétique nucléaire du ribozyme VS de Neurospora

Le ribozyme VS de Neurospora catalyse des réactions de clivage et de ligation d’un lien phosphodiester spécifique essentielles à son cycle de réplication. Il est formé de six régions hélicales (I à VI), qui se divisent en deux domaines, soit le substrat (SLI) et le domaine catalytique (tiges II à VI). Ce dernier comprend deux jonctions à trois voies qui permettent de reconnaître le substrat en tige-boucle de façon spécifique. Ce mode de reconnaissance unique pourrait être exploité pour cibler des ARN repliés pour diverses applications. Bien que le ribozyme VS ait été caractérisé biochimiquement de façon exhaustive, aucune structure à haute résolution du ribozyme complet n’a encore été publiée, ce qui limite la compréhension des mécanismes inhérents à son fonctionnement. Précédemment, une approche de divide-and-conquer a été initiée afin d’étudier la structure des sous-domaines importants du ribozyme VS par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) mais doit être complétée. Dans le cadre de cette thèse, les structures de la boucle A730 et des jonctions III-IV-V et II-III-VI ont été déterminées par spectroscopie RMN hétéronucléaire. De plus, une approche de spectroscopie RMN a été développée pour la localisation des ions divalents, tandis que diverses approches de marquage isotopique ont été implémentées pour l’étude d’ARN de plus grandes tailles. Les structures RMN de la boucle A730 et des deux jonctions à trois voies révèlent que ces sous-domaines sont bien définis, qu’ils sont formés de plusieurs éléments structuraux récurrents (U-turn, S-turn, triplets de bases et empilement coaxial) et qu’ils contiennent plusieurs sites de liaison de métaux. En outre, un modèle du site actif du ribozyme VS a été construit sur la base des similarités identifiées entre les sites actifs des ribozymes VS et hairpin. Dans l’ensemble, ces études contribuent de façon significative à la compréhension de l’architecture globale du ribozyme VS. De plus, elles permettront de construire un modèle à haute résolution du ribozyme VS tout en favorisant de futures études d’ingénierie.

1,4-Dioxane enhances properties and biocompatibility of polyanionic collagen for tissue engineering applications

Polyanionic collagen obtained from bovine pericardial tissue submitted to alkaline hydrolysis is an acellular matrix with strong potential in tissue engineering. However, increasing the carboxyl content reduces fibril formation and thermal stability compared to the native tissues. In the present work, we propose a chemical protocol based on the association of alkaline hydrolysis with 1,4-dioxane treatment to either attenuate or revert the drastic structural modifications promoted by alkaline treatments. For the characterization of the polyanionic membranes treated with 1,4-dioxane, we found that (1) scanning electron microscopy (SEM) shows a stronger reorientation and aggregation of collagen microfibrils; (2) histological evaluation reveals recovering of the alignment of collagen fibers and reassociation with elastic fibers; (3) differential scanning calorimetry (DSC) shows an increase in thermal stability; and (4) in biocompatibility assays there is a normal attachment, morphology and proliferation associated with high survival of the mouse fibroblast cell line NIH3T3 in reconstituted membranes, which behave as native membranes. Our conclusions reinforce the ability of 1,4-dioxane to enhance the properties of negatively charged polyanionic collagen associated with its potential use as biomaterials for grafting, cationic drug- or cell-delivery systems and for the coating of cardiovascular devices.

Characterization and in vitro evaluation of bacterial cellulose membranes functionalized with osteogenic growth peptide for bone tissue engineering

The aim of this study was to characterize the physicochemical properties of bacterial cellulose (BC) membranes functionalized with osteogenic growth peptide (OGP) and its C-terminal pentapeptide OGP[10-14], and to evaluate in vitro osteoinductive potential in early osteogenesis, besides, to evaluate cytotoxic, genotoxic and/or mutagenic effects. Peptide incorporation into the BC membranes did not change the morphology of BC nanofibers and BC crystallinity pattern. The characterization was complemented by Raman scattering, swelling ratio and mechanical tests. In vitro assays demonstrated no cytotoxic, genotoxic or mutagenic effects for any of the studied BC membranes. Culture with osteogenic cells revealed no difference in cell morphology among all the membranes tested. Cell viability/proliferation, total protein content, alkaline phosphatase activity and mineralization assays indicated that BC-OGP membranes enabled the highest development of the osteoblastic phenotype in vitro. In conclusion, the negative results of cytotoxicity, genotoxicity and mutagenicity indicated that all the membranes can be employed for medical supplies, mainly in bone tissue engineering/regeneration, due to their osteoinductive properties.

Biological monitoring of a promissory xenogenic pin for biomedical applications: a preliminary intraosseous study in rats

Objectives: Over the last years, it is known that in some cases metal devices for biomedical applications present some disadvantages suggesting absorbable materials (natural or synthetic) as an alternative of choice. Here, our goal was to evaluate the biological response of a xenogenic pin, derived from bovine cortical bone, intraosseously implanted in the femur of rats. Material and methods: After 10, 14, 30 and 60 days from implantation, the animals (n = 5/period) were killed and the femurs carefully collected and dissected out under histological demands. For identifying the osteoclastogenesis level at 60 days, we performed the immunohistochemisty approach using antibody against RANKL. Results: Interestingly, our results showed that the incidence of neutrophils and leukocytes was observed only at the beginning (10 days). Clear evidences of pin degradation by host cells started at 14 days and it was more intensive at 60 days, when we detected the majority of the presence of giant multinucleated cells, which were very similar to osteoclast cells contacting the implanted pin. To check osteoclastogenesis at 60 days, we evaluated RANKL expression and it was positive for those resident multinucleated cells while a new bone deposition was verified surrounding the pins in all evaluated periods. Conclusions: Altogether, our results showed that pins from fully processed bovine bone are biocompatible and absorbable, allowing bone neoformation and it is a promissory device for biomedical applications.

Biomechanical and histologic evaluation of non-washed resorbable blasting media and alumina-blasted/acid-etched surfaces

Objectives: To compare the biomechanical fixation and histomorphometric parameters between two implant surfaces: non-washed resorbable blasting media (NWRBM) and alumina-blasted/acid-etched (AB/AE), in a dog model. Material and methods: The surface topography was assessed by scanning electron microscopy, optical interferometry and chemistry by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Six beagle dogs of similar to 1.5 years of age were utilized and each animal received one implant of each surface per limb (distal radii sites). After a healing period of 3 weeks, the animals were euthanized and half of the implants were biomechanically tested (removal torque) and the other half was referred to nondecalcified histology processing. Histomorphometric analysis considered bone-to-implant contact (BIC) and bone area fraction occupancy (BAFO). Following data normality check with the Kolmogorov-Smirnov test, statistical analysis was performed by paired t-tests at 95% level of significance. Results: Surface roughness parameters Sa (average surface roughness) and Sq (mean root square of the surface) were significantly lower for the NWRBM compared with AB/ AE. The XPS spectra revealed the presence of Ca and P in the NWRBM. While no significant differences were observed for both BIC and BAFO parameters (P>0.35 and P>0.11, respectively), a significantly higher level of torque was observed for the NWRBM group (P = 0.01). Bone morphology was similar between groups, which presented newly formed woven bone in proximity with the implant surfaces. Conclusion: A significant increase in early biomechanical fixation was observed for implants presenting the NWRBM surface.

Pore size regulates cell and tissue interactions with PLGA-CaP scaffolds used for bone engineering

A common subject in bone tissue engineering is the need for porous scaffolds to support cell and tissue interactions aiming at repairing bone tissue. As poly(lactide-co-glycolide)calcium phosphate (PLGACaP) scaffolds can be manufactured with different pore sizes, the aim of this study was to evaluate the effect of pore diameter on osteoblastic cell responses and bone tissue formation. Scaffolds were prepared with 85% porosity, with pore diameters in the ranges 470590, 590850 and 8501200 mu m. Rat bone marrow stem cells differentiated into osteoblasts were cultured on the scaffolds for up to 10 days to evaluate cell growth, alkaline phosphatase (ALP) activity and the gene expression of the osteoblast markers RUNX2, OSX, COL, MSX2, ALP, OC and BSP by real-time PCR. Scaffolds were implanted in critical size rat calvarial defects for 2, 4, and 8 weeks for histomorphometric analysis. Cell growth and ALP activity were not affected by the pore size; however, there was an increase in the gene expression of osteoblastic markers with the increase in the pore sizes. At 2 weeks all scaffolds displayed a similar amount of bone and blood vessels formation. At 4 and 8 weeks much more bone formation and an increased number of blood vessels were observed in scaffolds with pores of 470590 mu m. These results show that PLGACaP is a promising biomaterial for bone engineering. However, ideally, combinations of larger (similar to 1000 mu m) and smaller (similar to 500 mu m) pores in a single scaffold would optimize cellular and tissue responses during bone healing. Copyright (C) 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

Modulation of human osteoblasts by metal surface chemistry

The use of metal implants in dental and orthopedic surgery is continuously expanding and highly successful. While today longevity and load-bearing capacity of the implants fulfill the expectations of the patients, acceleration of osseointegration would be of particular benefit to shorten the period of convalescence. To further clarify the options to accelerate the kinetics of osseointegration, within this study, the osteogenic properties of structurally identical surfaces with different metal coatings were investigated. To assess the development and function of primary human osteoblasts on metal surfaces, cell viability, differentiation, and gene expression were determined. Titanium surfaces were used as positive, and surfaces coated with gold were used as negative controls. Little differences in the cellular parameters tested for were found when the cells were grown on titanium discs sputter coated with titanium, zirconium, niobium, tantalum, gold, and chromium. Cell number, activity of cell layer-associated alkaline phosphatase (ALP), and levels of transcripts encoding COL1A1 and BGLAP did not vary significantly in dependence of the surface chemistry. Treatment of the cell cultures with 1,25(OH)2 D3 /Dex, however, significantly increased ALP activity and BGLAP messenger RNA levels. The data demonstrate that the metal layer coated onto the titanium discs exerted little modulatory effects on cell behavior. It is suggested that the microenvironment regulated by the peri-implant tissues is more effective in regulating the tissue response than is the material of the implant itself.