DFT STUDIES ON THE MECHANISM OF RING-OPENING POLYMERIZATION OF LACTIDE WITH ADENINE

The use of organic molecules as catalysts for the ring-opening polymerization (ROP) of cyclic esters has gained much interest last years.[1] The use of a molecule of biological interest, able to initiate ROP of cyclic esters without any cocatalyst is even more interesting, as the resulting material will not contain any catalytic residue. Nucleobase-polymer conjugates development is thus an emerging area envisaging biomedical applications.[2] However, they are usually synthesized by tedious multistep procedures. Recently, adenine was used as organoinitiator for the ROP of L-lactide.[3] Reaction conditions involving short reaction times and relatively low temperatures enable the access to adenine-polylactide(Adn-PLA)conjugates in a simple one-step procedure, without additional catalyst and in the absence of solvent. In this study, computational investigations with density functional theory (DFT) were performed in order to clarify the reaction mechanism leading to the desired Adn-PLA. The results show that a hydrogen bond catalytic mechanism, involving a nucleophilic attack of the activated amine group of adenine onto the carbonyl group of lactide, seem to be plausible.

Cloning, expression, molecular modelling and docking analysis of glutathione transferase from Saccharum officinarum

Sugarcane yield and quality are affected by a number of biotic and abiotic stresses. In response to such stresses, plants may increase the activities of some enzymes such as glutathione transferase (GST), which are involved in the detoxification of xenobiotics. Thus, a sugarcane GST was modelled and molecular docked using the program LIGIN to investigate the contributions of the active site residues towards the binding of reduced glutathione (GSH) and 1-chloro-2,4-dinitrobenzene (CDNB). As a result, W13 and I119 were identified as key residues for the specificity of sugarcane GSTF1 (SoGSTF1) towards CDNB. To obtain a better understanding of the catalytic specificity of sugarcane GST (SoGSTF1), two mutants were designed, W13L and I119F. Tertiary structure models and the same docking procedure were performed to explain the interactions between sugarcane GSTs with GSH and CDNB. An electron-sharing network for GSH interaction was also proposed. The SoGSTF1 and the mutated gene constructions were cloned and expressed in Escherichia coli and the expressed protein purified. Kinetic analyses revealed different Km values not only for CDNB, but also for GSH. The Km values were 0.2, 1.3 and 0.3 mM for GSH, and 0.9, 1.2 and 0.5 mM for CDNB, for the wild type, W13L mutant and I119F mutant, respectively. The V(max) values were 297.6, 224.5 and 171.8 mu mol min(-1) mg(-1) protein for GSH, and 372.3, 170.6 and 160.4 mu mol min(-1) mg(-1) protein for CDNB.

Identification of a juvenile hormone esterase-like gene in the honey bee, Apis mellifera L. - Expression analysis and functional assays

Tight control over circulating juvenile hormone (JH) levels is of prime importance in an insect`s life cycle. Consequently, enzymes involved in JH metabolism, especially juvenile hormone esterases (JHEs), play major roles during metamorphosis and reproduction. In the highly eusocial Hymenoptera, JH has been co-opted into additional functions, primarily in the development of the queen and worker castes and in age-related behavioral development of workers. Within a set of 21 carboxylesterases predicted in the honey bee genome we identified one gene (Amjhe-like) that contained the main functional motifs of insect JHEs. Its transcript levels during larval development showed a maximum at the switch from feeding to spinning behavior, coinciding with a JH titer minimum. In adult workers, the highest levels were observed in nurse bees, where a low JH titer is required to prevent the switch to foraging. Functional assays showed that Amjhe-like expression is induced by JH-III and suppressed by 20-hydroxyecdysone. RNAi-mediated silencing of Amjhe-like gene function resulted in a six-fold increase in the JH titer in adult worker bees. The temporal profile of Amjhe-like expression in larval and adult workers, the pattern of hormonal regulation and the knockdown phenotype are consistent with the function of this gene as an authentic JHE. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

The crustacean gill (Na(+),K(+))-ATPase: Allosteric modulation of high- and low-affinity ATP-binding sites by sodium and potassium

The blue crab, Callinectes danae, tolerates exposure to a wide salinity range employing mechanisms of compensatory ion uptake when in dilute media. Although the gill (Na(+), K(+))-ATPase is vital to hyperosmoregulatory ability, the interactions occurring at the sites of ATP binding on the molecule itself are unknown. Here, we investigate the modulation by Na(+) and K(+) of homotropic interactions between the ATP-binding sites, and of phosphoenzyme formation of the (Na(+),K(+))-ATPase from the posterior gills of this euryhaline crab. The contribution of the high- and low-affinity ATP-binding sites to maximum velocity was similar for both Na(+) and K(+). However, in contrast to Na(+), a threshold K(+) concentration triggers the appearance of the high-affinity binding sites, displacing the saturation curve to lower ATP concentrations. Further, a low-affinity site for phosphorylation is present on the enzyme. These findings reveal notable differences in the catalytic mechanism of the crustacean (Na(+),K(+))-ATPase compared to the vertebrate enzyme. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Characterization of temperature dependent and substrate-binding cleft movements in Bacillus circulans family 11 xylanase: A molecular dynamics investigation

Background: Xylanases (EC 3.2.1.8) hydrolyze xylan, one of the most abundant plant polysaccharides found in nature, and have many potential applications in biotechnology. Methods: Molecular dynamics simulations were used to investigate the effects of temperature between 298 to 338 K and xylobiose binding on residues located in the substrate-binding cleft of the family 11 xylanase from Bacillus circulans (BcX). Results: In the absence of xylobiose the BcX exhibits temperature dependent movement of the thumb region which adopts an open conformation exposing the active site at the optimum catalytic temperature (328 K). In the presence of substrate, the thumb region restricts access to the active site at all temperatures, and this conformation is maintained by substrate/protein hydrogen bonds involving active site residues, including hydrogen bonds between Tyr69 and the 2` hydroxyl group of the substrate. Substrate access to the active site is regulated by temperature dependent motions that are restricted to the thumb region, and the BcX/substrate complex is stabilized by extensive intermolecular hydrogen bonding with residues in the active site. General significance: These results call for a revision of both the ""hinge-bending"" model for the activity of group 11 xylanases, and the role of Tyr69 in the catalytic mechanism. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Active site heterogeneity in dimethyl sulfoxide reductase from Rhodobacter capsulatus revealed by raman spectroscopy

Raman spectroscopy has been used to investigate the structure of the molybdenum cofactor in DMSO reductase from Rhodobacter capsulatus. Three oxidized forms of the enzyme, designated 'redox cycled', 'as prepared', and DMSORmodD, have been studied using 752 nm laser excitation. In addition, two reduced forms of DMSO reductase, prepared either anaerobically using DMS or using dithionite, have been characterized. The 'redox cycled' form has a single band in the Mo=O stretching region at 865 cm(-1) consistent with other studies. This oxo ligand is found to be exchangeable directly with (DMSO)-O-18 or by redox cycling. Furthermore, deuteration experiments demonstrate that the oxo ligand in the oxidized enzyme has some hydroxo character, which is ascribed to a hydrogen bonding interaction with Trp 116. There is also evidence from the labeling studies for a modified dithiolene sulfur atom, which could be present as a sulfoxide. In addition to the 865 cm(-1) band, an extra band at 818 cm(-1) is observed in the Mo=O stretching region of the 'as prepared' enzyme which is not present in the 'redox cycled' enzyme. Based on the spectra of unlabeled and labeled DMS reduced enzyme, the band at 818 cm(-1) is assigned to the S=O stretch of a coordinated DMSO molecule. The DMSORmodD form, identified by its characteristic Raman spectrum, is also present in the 'as prepared' enzyme preparation but not after redox cycling. The complex mixture of forms identified in the 'as prepared' enzyme reveals a substantial degree of active site heterogeneity in DMSO reductase.

Direct electrochemistry of a bacterial sulfite dehydrogenase

Sulfite dehydrogenase from Starkeya novella is an alphabeta heterodimer comprising a 40.6 kDa subunit (containing the Mo cofactor) and a smaller 8.8 kDa heme c subunit. The enzyme catalyses the oxidation of sulfite to sulfate with the natural electron acceptor being cytochrome c(550). Its catalytic mechanism is thought to resemble that found in eukaryotic sulfite oxiclases. Using protein film voltammetry and redox potentiometry, we have identified both Mo- and heme-centered redox responses from the enzyme immobilized on a pyrolytic graphite working electrode: E-m,E-8 (Fe-III/II) +177 mV; E-m,E-8 (Mo-VI/V) +211 mV and E(m,)8 (Mo-V/IV) -118 mV vs NHE; Upon addition of sulfite to the electrochemical cell a steady-state voltammogram is observed and an apparent Michaelis constant (K-m) of 26(l) muM was determined for the enzyme immobilized on the working electrode surface, which is comparable with the value obtained from solution assays.

Substrate interaction with recombinant amidase from Pseudomonas aeruginosa during biocatalysis

The interaction of a variety of substrates with Pseudomonas aeruginosa native amidase (E.C. 3.5.1.4), overproduced in an Escherichia coli strain, was investigated using difference FTIR spectroscopy. The amides used as substrates showed an increase in hydrogen bonding upon association in multimers, which was not seen with esters. Evidence for an overall reduction or weakening of hydrogen bonding while amide and ester substrates are interacting with the enzyme is presented. The results describe a spectroscopic approach for analysis of substrate-amidase interaction and in situ monitoring of the hydrolysis and transferase reaction when amides or esters are used as substrates.

Evolution of Drug Resistance: Insight on TEM β-Lactamases Structure and Activity and β-Lactam Antibiotics

Since the discovery of the first penicillin bacterial resistance to β-lactam antibiotics has spread and evolved promoting new resistances to pathogens. The most common mechanism of resistance is the production of β-lactamases that have spread thorough nature and evolve to complex phenotypes like CMT type enzymes. New antibiotics have been introduced in clinical practice, and therefore it becomes necessary a concise summary about their molecular targets, specific use and other properties. β-lactamases are still a major medical concern and they have been extensively studied and described in the scientific literature. Several authors agree that Glu166 should be the general base and Ser70 should perform the nucleophilic attack to the carbon of the carbonyl group of the β-lactam ring. Nevertheless there still is controversy on their catalytic mechanism. TEMs evolve at incredible pace presenting more complex phenotypes due to their tolerance to mutations. These mutations lead to an increasing need of novel, stronger and more specific and stable antibiotics. The present review summarizes key structural, molecular and functional aspects of ESBL, IRT and CMT TEM β-lactamases properties and up to date diagrams of the TEM variants with defined phenotype. The activity and structural characteristics of several available TEMs in the NCBI-PDB are presented, as well as the relation of the various mutated residues and their specific properties and some previously proposed catalytic mechanisms.

Electrochemical characterization of Dps, a DNA-protecting protein

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Kationinvaihtohartsien hapetuskestävyys

Hyvin puhdasta vettä vaativissa sovelluksissa käytettävät kationinvaihtohartsit eivät saisi vuotaa puhdistettavaan veteen mitään vieraita aineita. Todellisuudessa hartsit kuitenkin vuotavat hyvin pieniä määriä erilaisia yhdisteitä käytön aikana. Aineet, joita kationinvaihtohartsi päästää veteen, ovat osaksi hartsin polymerointireaktion aikana sen rungon sisään jääneitä yhdisteitä. Nämä voidaan suurimmaksi osaksi poistaa pesemällä hartsia. Osittain niitä syntyy myös hartsin polystyreenidivinyylibentseenirungon (PS-DVB) hapettuessa. Hapettumisen seurauksena syntyneet yhdisteet ovat pääosin orgaanisia sulfonaatteja. Tämä työ koskee ydinvoimalaitoksissa käytettäviä pulverihartseja, joita käytetään primääripiirissä kiertävän lauhdeveden puhdistukseen ja jotka joutuvat siellä alttiiksi hapettumiselle. Yleensä hapettuminen on hidasta ja se johtuu veteen liuenneesta hapesta. Hapettuminen nopeutuu huomattavasti, jos vedessä on läsnä hapettimia tai siirtymämetalli-ioneja. Tällaisia hapettimia ovat esimerkiksi vetyperoksidi, otsoni, vapaa kloori, typpihappo ja kromi. Vetyperoksidin vaikutuksesta hartsin runkoon muodostuu hydroperoksidiryhmä, jonka hajoamisesta alkaa reaktioiden sarja, joka lopulta johtaa hartsin polymeerirungon katkeamiseen. Siirtymämetalli-ionit katalysoivat peroksidien hajoamista. Tavallisimpia hapetusta katalysoivia metalli-ioneja ovat rauta ja kupari, joiden katalyyttinen aktiivisuus on suuri. Tässä työssä pyrittiin selvittämään, onko mahdollista valmistaa hartseja, jotka kestävät hapettumista paremmin kuin nykyisin käytössä olevat hartsit. Sen tutkimiseksi tehtiin kiihdytettyjä hapetuskokeita käyttäen hapettimena vetyperoksidia ilman siirtymämetalli-ioni katalyyttejä. Hapetuskokeet tehtiin kaupallisesti saatavilla hartseilla ja uusilla työtä varten syntetisoiduilla koehartseilla. Hapetuskokeiden etenemistä seurattiin mittaamalla veteen liuenneiden orgaanisten aineiden kokonaismäärää (TOC-analyysi) ja liuoksessa esiintyvien orgaanisten sulfonaattien määrää johtokykymittauksin. Saadut tulokset antoivat viitteitä siitä, että hartsin synteesiolosuhteilla voi olla suurempi vaikutus sen hapetuskestävyyteen kuin synteesissä käytetyillä raaka-aineilla.

Études Structurales par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du Site Actif du Ribozyme VS de Neurospora.

Nous étudions le ribozyme VS de Neurospora, en tant que système modèle, pour augmenter nos connaissances sur la relation entre la structure et la fonction chez les ARNs, ainsi que pour mieux comprendre le mécanisme de clivage de ce ribozyme. Il a été proposé précédemment que la boucle interne A730 dans la tige-boucle VI (SLVI) contient le site actif du ribozyme et lie un ou plusieurs ions métalliques qui pourraient participer au mécanisme réactionnel. Nous avons déterminé par spectroscopie RMN la structure de la tige-boucle SLVI contenant la boucle A730 afin d’éclaircir ce mécanisme. La structure obtenue est en accord avec les études biochimiques antérieures et présente un ou plusieurs sites de liaison au magnésium associé à la boucle interne. Suite à des études de cinétique et de mutagenèse, il a été proposé qu’une adénine localisée dans le site actif, A756, participe à la catalyse par acide/base générale. Des études de pH effectuées précédemment ont identifié un pKa catalytique (5.2-5.8) qui correspond probablement à l’équilibre de protonation du A756. À l’aide de méthodes utilisant le carbone-13, nous avons identifié un pKa modifié appartenant au A756, ce qui supporte le rôle de ce résidu dans la catalyse par acide/base générale. Les études structurales présentées ici aident donc à augmenter notre compréhension du mécanisme de clivage chez le ribozyme VS.

Structure d'une tagatose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : étude d'une apparente perte de stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase de classe I qui fait montre d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-biphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-biphosphate (FBP), du sorbose-1,6-biphosphate et du psicose-1,6-biphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution de la structure native et en complexe avec le DHAP, a respectivement 1.87 et 1.92 Å de résolution. Ces mêmes structures ont permis de se représenter plus clairement le site actif de l'enzyme en général, et les résidus catalytiques en particulier. Le trempage des cristaux de TBP aldolase dans une solution saturante de DHAP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire iminium, ainsi que sa géométrie particulière en atteste. Des expériences d'échange de proton, entreprises afin d'évaluer le stéréoisomérisme du transfert de proton catalytique, ont également permis de faire une intéressante découverte : la TBP aldolase ne peut déprotoner le coté pro-R du C3 du DHAP, mais peut le protonner. Ce résultat, ainsi que la comparaison de la structure du complexe TBP aldolase-DHAP avec la structure du complexe FBP aldolase de muscle de lapin- DHAP, pointe vers un isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP. De plus, la résolution de ces deux structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Étude structure-fonction des fructose-1,6-bisphosphate aldolases métallo-dépendantes : mécanisme catalytique et développement d’antimicrobiens

Les fructose-1,6-bisphosphate aldolases (FBPA) sont des enzymes glycolytiques (EC 4.1.2.13) qui catalysent la transformation réversible du fructose-1,6-bisphosphate (FBP) en deux trioses-phosphates, le glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) et le dihydroxyacétone phosphate (DHAP). Il existe deux classes de FBPA qui diffèrent au niveau de leur mécanisme catalytique. Les classes I passent par la formation d’un intermédiaire covalent de type iminium alors que les classes II, métallodépendantes, utilisent généralement un zinc catalytique. Contrairement au mécanisme des classes I qui a été très étudié, de nombreuses interrogations subsistent au sujet de celui des classes II. Nous avons donc entrepris une analyse détaillée de leur mécanisme réactionnel en nous basant principalement sur la résolution de structures cristallographiques. De nombreux complexes à haute résolution furent obtenus et ont permis de détailler le rôle de plusieurs résidus du site actif de l’enzyme. Nous avons ainsi corrigé l’identification du résidu responsable de l’abstraction du proton de l’O4 du FBP, une étape cruciale du mécanisme. Ce rôle, faussement attribué à l’Asp82 (chez Helicobacter pylori), est en fait rempli par l’His180, un des résidus coordonant le zinc. L’Asp82 n’en demeure pas moins essentiel car il oriente, active et stabilise les substrats. Enfin, notre étude met en évidence le caractère dynamique de notre enzyme dont la catalyse nécessite la relocalisation du zinc et de nombreux résidus. La dynamique de la protéine ne permet pas d’étudier tous les aspects du mécanisme uniquement par l’approche cristallographique. En particulier, le résidu effectuant le transfert stéréospécifique du proton pro(S) sur le carbone 3 (C3) du DHAP est situé sur une boucle qui n’est visible dans aucune de nos structures. Nous avons donc développé un protocole de dynamique moléculaire afin d’étudier sa dynamique. Validé par l’étude d’inhibiteurs de la classe I, l’application de notre protocole aux FBPA de classe II a confirmé l’identification du résidu responsable de cette abstraction chez Escherichia coli (Glu182) mais pointe vers un résidu diffèrent chez H. pylori (Glu149 au lieu de Glu142). Nos validations expérimentales confirment ces observations et seront consolidées dans le futur. Les FBPA de classe II sont absentes du protéome humain mais sont retrouvées chez de nombreux pathogènes, pouvant même s'y révéler essentielles. Elles apparaissent donc comme étant une cible idéale pour le développement de nouveaux agents anti-microbiens. L’obtention de nouveaux analogues des substrats pour ces enzymes a donc un double intérêt, obtenir de nouveaux outils d’étude du mécanisme mais aussi développer des molécules à visée pharmacologique. En collaboration avec un groupe de chimistes, nous avons optimisé le seul inhibiteur connu des FBPA de classe II. Les composés obtenus, à la fois plus spécifiques et plus puissants, permettent d’envisager une utilisation pharmacologique. En somme, c’est par l’utilisation de techniques complémentaires que de nouveaux détails moléculaires de la catalyse des FBPA de classe II ont pu être étudiés. Ces techniques permettront d’approfondir la compréhension fine du mécanisme catalytique de l’enzyme et offrent aussi de nouvelles perspectives thérapeutiques.

Multifonctionnalité de l'aldolase glycolytique : mécanisme catalytique et interaction avec un peptide de la protéine du syndrome Wiskott-Aldrich

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.