Organic phase enzyme electrodes based on organohydrogel

A dimethylformamide-polyhydroxyl cellulose organo-hydrogel has been prepared, and its applications for enzyme immobilization in construction of organic phase biosensors have been exploited. With horseradish peroxidase, tyrosinase, and bilirubin oxidase immobilized in the organohydrogel, enzyme electrodes can be operated in various situations, including aqueous buffer, oil/water mixtures, and anhydrous organic solvents, and even in dimethylformamide, to determine analytes of different solubilities, e.g., organic peroxides, phenolic compounds and bilirubin. Biosensing has no restrictions in terms of measuring media and solubilities of analytes.

Shining light on food microbiology; applications of luciferase-tagged microorganisms in the food industry

Bioluminescence is the production of light by living organisms as a result of a number of enzyme catalysed reactions caused by enzymes termed luciferases. The lux genes responsible for the emission of light can be cloned from one bioluminescent microorganism into one that is not bioluminescent. The light emitted can be monitored and quantified and will provide information on the metabolic activity, quantity and location of cells in a particular environment, in real-time. The primary aim of this thesis was to investigate and identify several food industry related applications of lux-tagged microorganisms. The first aim was to monitor a lux-tagged Cronobacter sakazakii in reconstituted infant milk formula, in realtime. The second aim was to investigate a bioluminescent-based early warning system for starter culture disruption by bacteriophages and antibiotic residues. The third of this thesis was to examine the use of a bioluminescent-based assay to test the activity of bioengineered Nisin derivatives M21V and S29A against foodborne pathogens in laboratory media and selected foods.

Studies on quinoa (Chenopodium quinoa) for novel food and beverage applications

Quinoa (Chenopodium quinoa) is a seed crop native to the Andes, that can be used in a variety of food product in a similar manner to cereals. Unlike most plants, quinoa contains protein with a balanced amino acid profile. This makes it an interesting raw material for e.g. dairy product substitutes, a growing market in Europe and U.S. Quinoa can however have unpleasant off-flavours when processed into formulated products. One means of improving the palatability is seed germination. Also, the increased activities of hydrolytic enzymes can have a beneficial influence in food processing. In this thesis, the germination pattern of quinoa was studied, and the influence of quinoa malt was evaluated in a model product. Additionally, to explore its potential for dairy-type products, quinoa protein was isolated from an embryo-enriched milling fraction of non-germinated quinoa and tested for functional and gelation properties. Quinoa seeds imbibed water very rapidly, and most seeds showed radicle protrusion after 8-9 h. The α-amylase activity was very low, and started to increase only after 24 hours of germination in the starchy perisperm. Proteolytic activity was very high in dry ungerminated seeds, and increased slightly over 24 h. A significant fraction of this activity was located in the micropylar endosperm. The incorporation of germinated quinoa in gluten-free bread had no significant effect on the baking properties due to low α-amylase activity. Upon acidification with glucono-δ-lactone, quinoa milk formed a structured gel. The gelation behaviour was further studied using a quinoa protein isolate (QPI) extracted from an embryoenriched milling fraction. QPI required a heat-denaturation step to form gel structures. The heating pH influenced the properties drastically: heating at pH 10.5 led to a dramatic increase in solubility, emulsifying properties, and a formation of a fine-structured gel with a high storage modulus (G') when acidified. Heating at pH 8.5 varied very little from the unheated protein in terms of functional properties, and only formed a randomly aggregated coagulum with a low G'. Further study of changes over the course of heating showed that the mechanism of heat-denaturation and aggregation indeed varied largely depending on pH. The large difference in gelation behaviour may be related to the nature of aggregates formed during heating. To conclude, germination for increased enzyme activities may not be feasible, but the structure-forming properties of quinoa protein could possibly be exploited in dairy-type products.

Photoelectrocatalysis: Principles, nanoemitter applications and routes to bio-inspired systems

An overview on processes that are relevant in light-induced fuel generation, such as water photoelectrolysis or carbon dioxide reduction, is given. Considered processes encompass the photophysics of light absorption, excitation energy transfer to catalytically active sites and interfacial reactions at the catalyst/solution phase boundary. The two major routes envisaged for realization of photoelectrocatalytic systems, e.g. bio-inspired single photon catalysis and multiple photon inorganic or hybrid tandem cells, are outlined. For development of efficient tandem cell structures that are based on non-oxidic semiconductors, stabilization strategies are presented. Physical surface passivation is described using the recently introduced nanoemitter concept which is also applicable in photovoltaic (solid state or electrochemical) solar cells and first results with p-Si and p-InP thin films are presented. Solar-to-hydrogen efficiencies reach 12.1% for homoepitaxial InP thin films covered with Rh nanoislands. In the pursuit to develop biologically inspired systems, enzyme adsorption onto electrochemically nanostructured silicon surfaces is presented and tapping mode atomic force microscopy images of heterodimeric enzymes are shown. An outlook towards future envisaged systems is given. © 2010 The Royal Society of Chemistry.

Tandem enzyme-catalysed reduction/cis-dihydroxylation of 2,2,2-trifluoroacetophenone: chemoenzymatic routes to new enantiopure phenol and benzylic alcohol reagents

Factors that control the competition between toluene dioxgenase-catalysed arene cis-dihydroxylation and dehydrogenase-catalysed ketone reduction have been studied, using whole cells of Pseudomonas putida UV and three alkylaryl ketones. The triol metabolite, obtained from 2,2,2-trifluoroacetophenone, has been used in the synthesis of single enantiomer chiral phenols and benzylic alcohols. Potential applications of the methylether derivatives of the chiral phenols and benzylic alcohols, as resolving agents, have been found. (c) 2007 Society of Chemical Industry.

Detection of 2-substituted cyclobutanones as irradiation products of lipid-containing foods: Synthesis and applications of cis- and trans-2-(tetradec-5'-enyl)cyclobutanones and 11-(2'-oxocyclobutyl)-undecanoic acid

cis- (3(cis)) and trans-2-(tetradec-5'-enyl)cyclobutanone (3(trans)) have been chemically synthesised and used in the unambiguous identification of the cis isomer 3(cis) in irradiated meat (example chicken) and fruit (example papaya). 11-(2'-Oxocyclobutyl)undecanoic acid 5 has been chemically synthesised, conjugated to bovine thyroglobulin and used to generate polyclonal antibodies in rabbits, which have been used in the development of an enzyme-linked immunosorbent assay for the detection of 2-substituted cyclobutanones in irradiated chicken meat.

Galactokinases: potential biotechnological applications as biocatalysts

Galactokinase, a member of the GHMP (galactokinase, homoserine kinase, mevalonate kinase, phosphomevalonate kinase) family of kinases, catalyses the ATP-dependent phosphorylation of galactose at position 1 on the sugar. This reaction is important in the Leloir pathway of galactose catabolism. The need to produce monosaccharides phosphorylated at position 1 for the synthesis of complex molecules, including aminoglycoside antibiotics, has stimulated interest in exploiting the catalytic potential of galactokinases. However, the enzyme is quite specific, generally only catalysing the phosphorylation of D-galactose and closely related molecules. Directed evolution strategies have identified a key tyrosine residue (Tyr-371 in the Escherichia coli enzyme) which, although distant from the active site, influences the specificity of the enzyme. Alteration of this residue to histidine in E. coli and Lactococcus lactis galactokinases dramatically expanded the substrate range to include both D- and L-sugars. Similar experiments with the human enzyme demonstrated that alteration of the equivalent tyrosine (Tyr-379) to cysteine, lysine, arginine, serine or tryptophan increased the catalytic promiscuity of the enzyme. It has been hypothesised that these specificity changes arise because of alterations in the flexibility of the polypeptide chain. This hypothesis has yet to be tested experimentally. The biotechnological potential of galactokinases is clearly considerable and exploitation of closely related enzymes such as N-acetylgalactosamine kinase and arabinose kinase would expand that potential still further.

Applications of dihydroarenediols to chemoenzymatic synthesis : approaches to total synthesis of morphine alkaloids

The present studies describe, as a primary goal, our recent progess toward the synthesis of morphine alkaloids from aromatic precursors. Model substrates were synthesized which allowed investigation into Diels-Alder, radical cascade, and palladium-catalyzed bond-forming reactions as possible routes to the morphine alkaloid skeleton. As a secondary objective, three separate series of aromatic substrates were subjected to whole-cell oxidation with Escherichia coli JM 109 (pDTG601), a recombinant organism over-expressing the enzyme toluene dioxygenase. Included in this study were bromothioanisoles, dibromobenzenes, and cyclopropylbenzene derivatives. The products of oxidation were characterized by chemical conversion to known intermediates. The synthetic utility of one of these bacterial metabolites, derived from oxidation of o-dibromobenezene, was demonstrated by chemical conversion to (-)conduritol E.

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

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

Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

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

Les azasulfurylpeptides : synthèse, analyse conformationnelle et applications biologiques

Les azasulfurylpeptides sont des mimes peptidiques auxquels le carbone en position alpha et le carbonyle d’un acide aminé sont respectivement remplacés par un atome d’azote et un groupement sulfonyle (SO2). Le but premier de ce projet a été de développer une nouvelle méthode de synthèse de ces motifs, également appelés N-aminosulfamides. À cette fin, l’utilisation de sulfamidates de 4-nitrophénol s’est avérée importante dans la synthèse des azasulfuryltripeptides, permettant le couplage d’hydrazides avec l’aide d’irradiation aux micro-ondes (Chapitre 2). Par la suite, en quantité stoechiométrique d’une base et d’un halogénure d’alkyle, les azasulfurylglycines (AsG) formés peuvent être chimiosélectivement alkylés afin d’y insérer diverses chaînes latérales. Les propriétés conformationnelles des N-aminosulfamides à l’état solide ont été élucidées grâce à des études cristallographiques par rayons X : elles possèdent une structure tétraédrique autour de l’atome de soufre, des traits caractéristiques des azapeptides et des sulfonamides, ainsi que du potentiel à favoriser la formation de tours gamma (Chapitre 3). Après le développement d’une méthode de synthèse des N-aminosulfamides en solution, une approche combinatoire sur support solide a également été élaborée sur la résine amide de Rink afin de faciliter la génération d’une librairie d’azasulfurylpeptides. Cette étude a été réalisée en employant le growth hormone releasing peptide 6 (GHRP-6, His-D-Trp-Ala-Trp-D-Phe-Lys-NH2). Ce dernier est un hexapeptide possédant une affinité pour deux récepteurs, le growth hormone secretagogue receptor 1a (GHS-R1a) et le récepteur cluster of differenciation 36 (CD36). Une affinité sélective envers le récepteur CD36 confère des propriétés thérapeutiques dans le traitement de la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA). Six analogues d’azasulfurylpeptides de GHRP-6 utilisés comme ligands du CD36 ont été synthétisés sur support solide, mettant en évidence le remplacement du tryptophane à la position 4 de GHRP-6 (Chapitre 4). Les analogues de GHRP-6 ont été ensuite analysés pour leur capacité à moduler les effets de la fonction et de la cascade de signalisation des ligands spécifiques au Toll-like receptor 2 (TLR2), en collaboration avec le Professeur Huy Ong du département de Pharmacologie à la Faculté de Pharmacie de l’Université de Montréal. Le complexe TLR2-TLR6 est reconnu pour être co-exprimé et modulé par CD36. En se liant au CD36, certains ligands de GHRP-6 ont eu un effet sur la signalisation du TLR2. Par exemple, les azasulfurylpeptides [AsF(4-F)4]- et [AsF(4-MeO)4]-GHRP-6 ont démontré une capacité à empêcher la surproduction du monoxyde d’azote (NO), un sous-produit réactif formé suite à l’induction d’un signal dans les macrophages par des ligands spécifiques liés au TLR2, tel le fibroblast-stimulating lipopeptide 1 (R-FSL-1) et l’acide lipotéichoïque (LTA). En addition, la sécrétion du tumor necrosis factor alpha (TNFa) et du monocyte chemoattractant protein 1 (MCP-1), ainsi que l’activation du nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-kB), ont été réduites. Ces résultats démontrent le potentiel de ces azasulfurylpeptides à pouvoir réguler le rôle du TLR2 qui déclenche des réponses inflammatoires et immunitaires innées (Perspectives). Finalement, le potentiel des azasulfurylpeptides d’inhiber des métallo-bêta-lactamases, tels le New-Delhi Metallo-bêta-lactamase 1 (NDM-1), IMP-1 et le Verona Integron-encoded Metallo-bêta-lactamase 2 (VIM-2), a été étudié en collaboration avec le Professeur James Spencer de l’Université de Bristol (Royaumes-Unis). Certains analogues ont été des inhibiteurs micromolaires du IMP-1 (Perspectives). Ces nouvelles voies de synthèse des azasulfurylpeptides en solution et sur support solide devraient donc permettre leur utilisation dans des études de relations structure-activité avec différents peptides biologiquement actifs. En plus d'expandre l'application des azasulfurylpeptides comme inhibiteurs d'enzymes, cette thèse a révélé le potentiel de ces N-aminosulfamides à mimer les structures secondaires peptidiques, tels que les tours gamma. À cet égard, l’application des azasulfurylpeptides a été démontrée par la synthèse de ligands du CD36 présentant des effets modulateurs sur le TLR2. Compte tenu de leur synthèse efficace et de leur potentiel en tant qu’inhibiteurs, les azasulfurylpeptides devraient trouver une large utilisation dans les sciences de peptides pour des applications dans la médecine et de la chimie biologique.

A single amino acid substitution in the mRNA capping enzyme λ2 of a mammalian orthoreovirus mutant increases interferon sensitivity.

In the last few years, the development of a plasmid-based reverse genetics system for mammalian reovirus has allowed the production and characterization of mutant viruses. This could be especially significant in the optimization of reovirus strains for virotherapeutic applications, either as gene vectors or oncolytic viruses. The genome of a mutant virus exhibiting increased sensitivity to interferon was completely sequenced and compared with its parental virus. Viruses corresponding to either the parental or mutant viruses were then rescued by reverse genetics and shown to exhibit the expected phenotypes. Systematic rescue of different viruses harboring either of the four parental genes in a mutant virus backbone, or reciprocally, indicated that a single amino acid substitution in one of λ2 methyltransferase domains is the major determinant of the difference in interferon sensitivity between these two viruses.

Production, purification, genetic characterization and application studies of tannase enzyme from marine fungus Aspergillus awamori

Marine fungi remain totally unexplored as a source of industrial enzyme and prospective applications. Further tannase production by a marine organism has so far not been established. The primary objective of this study included the evaluation of the potential of Aspergillus awamori isolated from sea water as part of an earlier study and available in the culture collection of the Microbial technology laboratory for tannase production through different fermentation methods, optimization of bioprocess variables by statistical methods, purification and characterization of the enzyme, genetic study, and assessment of its potential applications.

Alkaline Protease from a Non-toxigenic Vibrio sp.(V26) and its Applications

The thesis presents a detailed account of the alkaline protease produced by Vibrio sp.(V26) a mangrove isolate,and the application of this enzyme in different fields.The protease producer strain was identified on the basis of biochemical characteristice,putative virulence traits and 16S rRNA gene sequencing.The purification and characterization of the protease has been carried out. Along with this, an attempt has been made to identifiy the protease gene. The physical parameters as well as the media components influencing protease production were optimized using Response Surfce Methodology(RSM).The scale up of the application of the protease from Vibrio sp.(V26) in the dissociation of cells in animal cell culture,in the recovery of silver from used X-ray films as well as an ingredient in commercial detergents were investigated.