Gel Sculpture: Moldable, Load-Bearing and Self-Healing Non-Polymeric Supramolecular Gel Derived from a Simple Organic Salt

An easy access to a library of simple organic salts derived from tert-butoxycarbonyl (Boc)-protected L-amino acids and two secondary amines (dicyclohexyl- and dibenzyl amine) are synthesized following a supramolecular synthon rationale to generate a new series of low molecular weight gelators (LMWGs). Out of the 12 salts that we prepared, the nitrobenzene gel of dicyclohexylammonium Boc-glycinate (GLY.1) displayed remarkable load-bearing, moldable and self-healing properties. These remarkable properties displayed by GLY.1 and the inability to display such properties by its dibenzylammonium counterpart (GLY.2) were explained using microscopic and rheological data. Single crystal structures of eight salts displayed the presence of a 1D hydrogen-bonded network (HBN) that is believed to be important in gelation. Powder X-ray diffraction in combination with the single crystal X-ray structure of GLY.1 clearly established the presence of a 1D hydrogen-bonded network in the xerogel of the nitrobenzene gel of GLY.1. The fact that such remarkable properties arising from an easily accessible (salt formation) small molecule are due to supramolecular (non-covalent) interactions is quite intriguing and such easily synthesizable materials may be useful in stress-bearing and other applications.

Non-covalent functionalization using lithographically patterned polyelectrolyte multilayers for high-density microarrays

We describe a method to fabricate high-density biological microarrays using lithographic patterning of polyelectrolyte multi layers formed by spin assisted electrostatic layer-by-layer assembly. Proteins or DNA can be immobilized on the polyelectrolyte patterns via electrostatic attachment leading to functional microarrays. As the immobilization is done using electrostatically assembled polyelectrolyte anchor, this process is substrate independent and is fully compatible with a standard semiconductor fabrication process flow. Moreover, the electrostatic assembly of the anchor layer is a fast process with reaction saturation times of the order of a few minutes unlike covalent schemes that typically require hours to reach saturation. The substrate independent nature of this technique is demonstrated by functionalizing glass slides as well as regular transparency sheets using the same procedure. Using a model protein assay, we demonstrate that the non-covalent immobilization scheme described here has competitive performance compared to conventional covalent immobilization schemes described in literature. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Sulfonated poly(ether ether ketone)/aminopropyltriethoxysilane/phosphotungstic acid hybrid membranes with non-covalent bond: Characterization, thermal stability, and proton conductivity

Sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK) and aminopropyltriethoxysilane (KH550) hybrid membranes doped with different weight ratio of phosphotungstic acid (PWA) were prepared by the casting procedure, as well as PWA as a catalyst for sol-gel process of KH550. The chemical structures of hybrid membranes were characterized by energy dispersive X-ray spectrometry (EDX) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The morphology of hybrid membranes was investigated by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). The results had proved the uniform and homogeneous distribution of KH550 and PWA in these hybrid membranes.

Characterization of non-covalent complexes of rutin with cyclodextrins by electrospray ionization tandem mass spectrometry

Electrospray ionization tandem mass spectrometry (ESI-MSn) and the phase solubility method were used to characterize the gas-phase and solution-phase non-covalent complexes between rutin (R) and alpha-, beta- and gamma-cyclodextrins (CDs). The direct correlation between mass spectrometric results and solution-phase behavior is thus revealed. The order of the 1:1 association constants (K-c) of the complexes between R and the three CDs in solution calculated from solubility diagrams is in good agreement with the order of their relative peak intensities and relative collision-induced dissociation (CID) energies of the complexes under the same ESI-MSn condition in both the positive and negative ion modes. Not only the binding stoichiometry but also the relative stabilities and even binding sites of the CD-R complexes can be elucidated by ESI-MSn. The diagnostic fragmentation of CD-R complexes, with a significant contribution of covalent fragmentation of rutin leaving the quercetin (Q) moiety attached to the CDs, provides convincing evidence for the formation of inclusion complexes between R and CDs. The diagnostic fragment ions can be partly confirmed by the complexes between Q and CDs. The gas-phase stability order of the deprotonated CD-R complexes is beta-CD-R > alpha-CD-R > gamma-CD/R; beta-CD seems to bind R more strongly than the other CDs.

Surface morphology evolution of a thin polymeric supramolecular film by tuning interactions

A polymeric supramolecule consisting of symmetric polystyrene-block-poly(4-vinylpytidine) (PS-b-P4VP), dodecylbenzenesulfonic acid (DBSA), and 3-pentadecylphenol (PDP) was formed by proton transfer and hydrogen bonding. The surface morphology,of a thin film of the polymeric supramolecule has been investigated. The spherical PS microdomains embedded in a P4VP(DBSA)(1.0)(PDP)(1.0) matrix are observed for the as-cast film because the weight fraction, f(comb), of the P4VP(DBSA) (1.0)(PDP)(1.0) blocks is much higher than that of PS as a result of the non-covalent interactions of P4VP and DBSA and DBSA and PDR Upon annealing the PS-b-P4VP(1:1)(DBSA)(1.0)(PDP)(1.0) film at high temperatures, the hydrogen bonding between the DBSA and PDP diminishes, which leads to a change of overall morphology from an ordered sphere to a pitted structure.

Detection and characterization of non-covalent complex between lappaconitine and beta-cyclodextrin by electrospray ionization tandem mass spectrometry

The non-covalent complexes between lappaconitine (LA) and beta-cyclodextrin (beta-CD) have been detected and characterized by electrospray ionization combined with ion trap tandem mass spectrometry (ESI-MSn). The experimental results showed that only 1:1 non-covalent complex can be formed in different starting molar ratios of LA to beta-CD. Furthermore, the diagnostic fragmentation of the beta-CD-LA complex, with a significant contribution of covalent fragmentation of LA leaving the N-acetyl anthranoyl (AN) moiety inserted to beta-CD, provided the convincing evidence for the formation of non-covalent complex between LA and beta-CD and the cite of LA molecule included to cavity of beta-CD assigned to AN residue.

Studies on the non-covalent complexes between oleanolic acid and cyclodextrins using electrospray ionization tandem mass spectrometry

Non-covalent inclusion complexes formed between an anti-inflammatory drug, oleanolic acid (OA), and alpha-, beta- and gamma-cyclodextrins (CDs) were investigated by means of solubility studies and electrospray ionization tandem mass spectrometry (ESI-MSn). The order of calculated association constants (K-1:1) of complexes between OA and different CDs in solution is in good agreement with the order of their relative peak intensities and the relative CID energies of the complexes under the same ESI-MSn conditions. These results indicate a direct correlation between the behaviors of solution- and gas-phase complexes. ESI-MS can thus be used to evaluate solution-phase non-covalent complexes successfully. The experimental results show that the most stable 1:1 inclusion complexes between three CDs and OA can be formed, but 2:1 CD-OA complexes can be formed with beta- and gamma-CDs. Multi-component complexes of alpha-CD-OA-beta-CD (1:1:1), alpha-CD-OA-gamma-CD (1:1:1) and beta-CD-OA-gamma-CD (1:1:1) were found in equimolar CD mixtures with excess OA. The formation of 2:1 and multi-component 1:1:1 non-covalent CD-OA complexes indicates that beta- and gamma-CD are able to form sandwich-type inclusion non-covalent complexes with OA. The above results can be partly supported by the relative sizes of OA and CD cavities by molecular modeling calculations.

Studies of non-covalent protein complexes by MALDI methods

Several specific non-covalent protein complexes were successfully observed by matrix assisted desorption ionization mass spectrometry(MALDI MS). The methods described in this paper include the matrixes use of sinapinic acid(SA) and 6-aza-2-thiothymine (ATT) in neutral pH solution, as well as the improvement of two-layer sample preparation method to achieve a high sensitivity detection of stable non-covalent complexes, Myoglobin-heme complex was found simultaneously with the sinapinic acid matrix in the various pH solution(pH=2 or pH=5), The RNase S complex showed a striking intensity at the first shot, which was decreased with more laser shots. Most importantly, the observation of specific non-covalent complex in the brome mosaic virus(BMV) coat proteins would open up a new possibility to investigate the assembly and disassembly of viral capsids.

Emergence of Tri-Phasic Muscle Activation from the Non-linear Interactions of Central and Spinal Neural Network Circuits

The origin of the tri-phasic burst pattern, observed in the EMGs of opponent muscles during rapid self-terminated movements, has been controversial. Here we show by computer simulation that the pattern emerges from interactions between a central neural trajectory controller (VITE circuit) and a peripheral neuromuscularforce controller (FLETE circuit). Both neural models have been derived from simple functional constraints that have led to principled explanations of a wide variety of behavioral and neurobiological data, including, as shown here, the generation of tri-phasic bursts.

Non-covalent imprinting of phosphorous esters

The creation of molecularly imprinted polymers (MIPs) for the recognition of phosphate and phosphonate esters is reported. The single, weak hydrogen-bond acceptor site in these molecules has been targeted using a 1,3-diarylurea functional monomer. Polymers were prepared using either stoichiometric ratios of functional monomer to template or a large excess of the template during imprinting. The recognition properties of the polymers were assessed in the chromatographic mode for their ability to retain the templates and analogous analytes. The results are discussed with regards to the choice and amount of template, polymerisation conditions and the composition of the chromatographic mobile phase.

Quantum and classical properties of the fields generated by two interlinked second-order non-linear interactions

We consider two interlinked non-linear interactions occurring simultaneously in a single chi((2)) crystal. Classical and quantum working regimes are considered and their peculiar properties analysed. In particular, we describe an experiment, realized in the classical regime, that verifies the holographic nature of the process, and predict, for the quantum regime, the generation of a fully inseparable tripartite Gaussian state of light that can be used to support a general 1--> 2 continuous variable telecloning protocol.

Interactions protéiques et relation dynamique entre phosphorylation / sumoylation / ubiquitination des protéines TIF1α, β et PML: détection in vivo par BRET

Trois protéines de la famille TRIM (Motif TRIpartite), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) et PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), font l’objet de cette étude. TIF1α est connu comme un coactivateur des récepteurs nucléaires et TIF1β comme le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc dont le prototype étudié ici est ZNF74. PML possède divers rôles dont le plus caractérisé est celui d’être l’organisateur principal et essentiel des PML-NBs (PML-Nuclear Bodies), des macrostructures nucléaires très dynamiques regroupant et coordonnant plus de 40 protéines. Il est à noter que la fonction de TIF1α, β et PML est régulée par une modification post-traductionnelle, la sumoylation, qui implique le couplage covalent de la petite protéine SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) à des lysines de ces trois protéines cibles. Cette thèse propose de développer des méthodes utilisant le BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfert) afin de détecter dans des cellules vivantes et en temps réel des interactions non-covalentes de protéines nucléaires mais aussi leur couplage covalent à SUMO. En effet, le BRET n’a jamais été exploré jusqu’alors pour étudier les interactions non-covalentes et covalentes de protéines nucléaires. L’étude de l’interaction de protéines transcriptionnellement actives est parfois difficile par des méthodes classiques du fait de leur grande propension à agréger (famille TRIM) ou de leur association à la matrice nucléaire (ZNF74). L’homo et l’hétérodimérisation de TIF1α, β ainsi que leur interaction avec ZNF74 sont ici testées sur des protéines entières dans des cellules vivantes de mammifères répondant aux résultats conflictuels de la littérature et démontrant que le BRET peut être avantageusement utilisé comme alternative aux essais plus classiques basés sur la transcription. Du fait de l’hétérodimérisation confirmée de TIF1α et β, le premier article présenté ouvre la possibilité d’une relation étroite entre les récepteurs nucléaires et les protéines KRAB- multidoigt de zinc. Des études précédentes ont démontré que la sumoylation de PML est impliquée dans sa dégradation induite par l’As2O3 et dépendante de RNF4, une E3 ubiquitine ligase ayant pour substrat des chaînes de SUMO (polySUMO). Dans le second article, grâce au développement d’une nouvelle application du BRET pour la détection d’interactions covalentes et non-covalentes avec SUMO (BRETSUMO), nous établissons un nouveau lien entre la sumoylation de PML et sa dégradation. Nous confirmons que le recrutement de RNF4 dépend de SUMO mais démontrons également l’implication du SBD (Sumo Binding Domain) de PML dans sa dégradation induite par l’As2O3 et/ou RNF4. De plus, nous démontrons que des sérines, au sein du SBD de PML, qui sont connues comme des cibles de phosphorylation par la voie de la kinase CK2, régulent les interactions non-covalentes de ce SBD mettant en évidence, pour la première fois, que les interactions avec un SBD peuvent dépendre d’un évènement de phosphorylation (“SBD phospho-switch”). Nos résultats nous amènent à proposer l’hypothèse que le recrutement de PML sumoylé au niveau des PML-NBs via son SBD, favorise le recrutement d’une autre activité E3 ubiquitine ligase, outre celle de RNF4, PML étant lui-même un potentiel candidat. Ceci suggère l’existence d’une nouvelle relation dynamique entre phosphorylation, sumoylation et ubiquitination de PML. Finalement, il est suggéré que PML est dégradé par deux voies différentes dépendantes de l’ubiquitine et du protéasome; la voie de CK2 et la voie de RNF4. Enfin une étude sur la sumoylation de TIF1β est également présentée en annexe. Cette étude caractérise les 6 lysines cibles de SUMO sur TIF1β et démontre que la sumoylation est nécessaire à l’activité répressive de TIF1β mais n’est pas impliquée dans son homodimérisation ou son interaction avec la boîte KRAB. La sumoylation est cependant nécessaire au recrutement d’histones déacétylases, dépendante de son homodimérisation et de l’intégrité du domaine PHD. Alors que l’on ne connaît pas de régulateur physiologique de la sumoylation outre les enzymes directement impliquées dans la machinerie de sumoylation, nous mettons en évidence que la sumoylation de TIF1β est positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB et suggérons que ces facteurs transcriptionnels recrutent TIF1β à l’ADN au niveau de promoteur et augmentent son activité répressive en favorisant sa sumoylation.

Etudes structurales et fonctionnelles des interactions de SUMO avec des proteines d'echafaudage modeles: TIF1beta, PIAS1 et PML

L’adaptation des cellules à leur environnement externe repose sur la transduction adéquate de signaux régulés par une pléthore d'événements moléculaires. Parmi ces événements moléculaires, les modifications post-traductionnelles (MPT) de protéines aident à intégrer, à traduire et à organiser de façon spatiotemporelle ces signaux pour que les cellules puissent réagir aux stimuli externes. Parmi les modifications post-traductionnelles, les petites protéines de la famille de l’Ubiquitine (Ublps, Ubiquitin-like proteins) jouent un rôle majeur dans presque toutes les voies de signalisation. Cette thèse rapporte des études fonctionnelles et structurales des interactions covalentes et non covalentes entre SUMO (Small Ubiquitin related MOdifier), un membre de la famille des Ublps, et trois protéines d'échafaudage, TIF1beta, le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc, PIAS1, une ligase E3 pour SUMO et PML, un suppresseur de tumeur. La première étude rapporte l'identification et la caractérisation biochimique des sites de SUMOylation de TIF1beta. Nous avons déterminé que la modification covalente de six résidus lysine par SUMO est essentielle à l’activité de répression de la transcription induit par TIF1beta. En outre, nous présentons des évidences indiquant que la SUMOylation de TIF1 exige non seulement sa capacité à homo-oligomériser, mais est aussi positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB des protéines à doigts de zinc. Partant de ce constat, nous postulons que les protéines KRAB-multidoigt de zinc recrutent leur corépresseur TIF1betaà des gènes cibles, mais aussi accentuent son activité répressive grâce à l'augmentation de sa SUMOylation. Notre seconde étude révèle qu’en plus de réprimer la transcription en tant que MPT covalente, SUMO joue aussi un rôle important dans la répression en tant que partenaire non covalent d’interactions protéine-protéine. Nous avons montré que SUMO interagit simultanément avec deux enzymes de la machinerie de SUMOylation, l’unique enzyme de conjugaison E2, UBC9, et la ligase E3 PIAS1 au sein d’un complexe ternaire répresseur. En outre, nous révélons que la formation du complexe ternaire PIAS1:SUMO:UBC9 est modulée par le niveau de phosphorylation de résidus sérine juxtaposés à un motif d’interaction avec SUMO (SIM) dans PIAS1. Ainsi, SUMO agit comme un adaptateur spécifique qui stabilise les interactions UBC9 E2: E3 PIAS1. Partant de ce constat, nous proposons que les enzymes E2 et E3 des autres systèmes Ublps exploitent des mécanismes similaires dans le cadre de leur fonction Enfin, notre troisième étude explore la régulation des interactions non covalentes de SUMO par la phosphorylation. En utilisant une combinaison d'études in vivo et in vitro, nous démontrons que l'interaction entre SUMO1 et PML est régi par la phosphorylation dépendant de CK2 sur quatre résidus sérine de PML. Les structures cristallographiques des complexes PML-SIM:SUMO1 révèlent que les phospho-sérines de PML contactent des résidus de la région basique de SUMO1. Sachant que la kinase CK2 peut être induite par des kinases activables par le stress, ces résultats suggèrent que les interactions non-covalentes avec SUMO sont modulées par le stress cellulaire. Sur la base de cette constatation, nous postulons que des événements analogues affectent des protéines contenant des séquences SIM ciblées par CK2. En résumé, cette étude révèle qu’en plus de son rôle de MPT, SUMO peut fonctionner comme un adaptateur permettant des interactions spécifiques entre protéines tel que pour les enzymes E3 et E2.

Rational modification of the hierarchy of intermolecular interactions in molecular crystal structures by using tunable halogen bonds

A family of 16 isomolecular salts (3-XpyH)(2)[MX'(4)] (3-XpyH=3-halopyridinium; M=Co, Zn; X=(F), Cl, Br, (I); X'=Cl, Br, I) each containing rigid organic cations and tetrahedral halometallate anions has been prepared and characterized by X-ray single crystal and/or powder diffraction. Their crystal structures reflect the competition and cooperation between non-covalent interactions: N-H center dot center dot center dot X'-M hydrogen bonds, C-X center dot center dot center dot X'-M halogen bonds and pi-pi stacking. The latter are essentially unchanged in strength across the series, but both halogen bonds and hydrogen bonds are modified in strength upon changing the halogens involved. Changing the organic halogen (X) from F to I strengthens the C-X center dot center dot center dot X'-M halogen bonds, whereas an analogous change of the inorganic halogen (X') weakens both halogen bonds and N-H center dot center dot center dot X'-M hydrogen bonds. By so tuning the strength of the putative halogen bonds from repulsive to weak to moderately strong attractive interactions, the hierarchy of the interactions has been modified rationally leading to systematic changes in crystal packing. Three classes of crystal structure are obtained. In type A (C-F center dot center dot center dot X'-M) halogen bonds are absent. The structure is directed by N-H center dot center dot center dot X'-M hydrogen bonds and pi-stacking interactions. In type B structures, involving small organic halogens (X) and large inorganic halogens (X'), long (weak) C-X center dot center dot center dot X'-M interactions are observed with type I halogen-halogen interaction geometries (C-X center dot center dot center dot X' approximate to X center dot center dot center dot X'-M approximate to 155 degrees), but hydrogen bonds still dominate. Thus, minor but quite significant perturbations from the type A structure arise. In type C, involving larger organic halogens (X) and smaller inorganic halogens (X'), stronger halogen bonds are formed with a type II halogen-halogen interaction geometry (C-X center dot center dot center dot X' approximate to 180 degrees; X center dot center dot center dot X'-M approximate to 110 degrees) that is electrostatically attractive. The halogen bonds play a major role alongside hydrogen bonds in directing the type C structures, which as a result are quite different from type A and B.

Amyloid-like fibril-forming supramolecular beta-sheets from a beta-turn forming tripeptide containing non-coded amino acids: the crystallographic signature

The crystal structure of a terminally protected tripeptide Boc-Leu-Aib-beta-Ala-OMe 1 containing non-coded amino acids reveals that it adopts a beta-turn structure, which sell-assembles to form a supramolecular beta-sheet via non-covalent interactions. The SEM image of peptide 1 exhibits amyloid-like fibrillar morphology in the solid state. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.