Seawater carbonate chemistry and calcification of two mediterranean cold-water coral species in a laboratory experiment

Deep-water ecosystems are characterized by relatively low carbonate concentration values and, due to ocean acidification (OA), these habitats might be among the first to be exposed to undersaturated conditions in the forthcoming years. However, until now, very few studies have been conducted to test how cold-water coral (CWC) species react to such changes in the seawater chemistry. The present work aims to investigate the mid-term effect of decreased pH on calcification of the two branching CWC species most widely distributed in the Mediterranean, Lophelia pertusa and Madrepora oculata. No significant effects were observed in the skeletal growth rate, microdensity and porosity of both species after 6 months of exposure. However, while the calcification rate of M. oculata was similar for all colony fragments, a heterogeneous skeletal growth pattern was observed in L. pertusa, the younger nubbins showing higher growth rates than the older ones. A higher energy demand is expected in these young, fast-growing fragments and, therefore, a reduction in calcification might be noticed earlier during long-term exposure to acidified conditions.

Impact of changing carbonate chemistry, temperature, and salinity on growth and test degradation of the benthic foraminifer Ammonia aomoriensis

The present study investigated the combined effects of ocean acidification, temperature, and salinity on growth and test degradation of Ammonia aomoriensis. This species is one of the dominant benthic foraminifera in near-coastal habitats of the southwestern Baltic Sea that can be particularly sensitive to changes in seawater carbonate chemistry. To assess potential responses to ocean acidification and climate change, we performed a fully crossed experiment involving three temperatures (8, 13, and 18°C), three salinities (15, 20, and 25) and four pCO2 levels (566, 1195, 2108, and 3843 µatm) for six weeks. Our results highlight a sensitive response of A. aomoriensis to undersaturated seawater with respect to calcite. The specimens continued to grow and increase their test diameter in treatments with pCO2 <1200 µatm, when Omega calc >1. Growth rates declined when pCO2 exceeded 1200 µatm (Omega calc <1). A significant reduction in test diameter and number of tests due to dissolution was observed below a critical Omega calc of 0.5. Elevated temperature (18°C) led to increased Omega calc, larger test diameter, and lower test degradation. Maximal growth was observed at 18°C. No significant relationship was observed between salinity and test growth. Lowered and undersaturated Omega calc, which results from increasing pCO2 in bottom waters, may cause a significant future decline of the population density of A. aomoriensis in its natural environment. At the same time, this effect might be partially compensated by temperature rise due to global warming.

Allosteric inhibitors of inducible nitric oxide synthase dimerization discovered via combinatorial chemistry

Potent and selective inhibitors of inducible nitric oxide synthase (iNOS) (EC 1.14.13.39) were identified in an encoded combinatorial chemical library that blocked human iNOS dimerization, and thereby NO production. In a cell-based iNOS assay (A-172 astrocytoma cells) the inhibitors had low-nanomolar IC50 values and thus were >1,000-fold more potent than the substrate-based direct iNOS inhibitors 1400W and N-methyl-l-arginine. Biochemical studies confirmed that inhibitors caused accumulation of iNOS monomers in mouse macrophage RAW 264.7 cells. High affinity (Kd ≈ 3 nM) of inhibitors for isolated iNOS monomers was confirmed by using a radioligand binding assay. Inhibitors were >1,000-fold selective for iNOS versus endothelial NOS dimerization in a cell-based assay. The crystal structure of inhibitor bound to the monomeric iNOS oxygenase domain revealed inhibitor–heme coordination and substantial perturbation of the substrate binding site and the dimerization interface, indicating that this small molecule acts by allosterically disrupting protein–protein interactions at the dimer interface. These results provide a mechanism-based approach to highly selective iNOS inhibition. Inhibitors were active in vivo, with ED50 values of <2 mg/kg in a rat model of endotoxin-induced systemic iNOS induction. Thus, this class of dimerization inhibitors has broad therapeutic potential in iNOS-mediated pathologies.

Selenium redox biochemistry of zinc–sulfur coordination sites in proteins and enzymes

Selenium has been increasingly recognized as an essential element in biology and medicine. Its biochemistry resembles that of sulfur, yet differs from it by virtue of both redox potentials and stabilities of its oxidation states. Selenium can substitute for the more ubiquitous sulfur of cysteine and as such plays an important role in more than a dozen selenoproteins. We have chosen to examine zinc–sulfur centers as possible targets of selenium redox biochemistry. Selenium compounds release zinc from zinc/thiolate-coordination environments, thereby affecting the cellular thiol redox state and the distribution of zinc and likely of other metal ions. Aromatic selenium compounds are excellent spectroscopic probes of the otherwise relatively unstable functional selenium groups. Zinc-coordinated thiolates, e.g., metallothionein (MT), and uncoordinated thiolates, e.g., glutathione, react with benzeneseleninic acid (oxidation state +2), benzeneselenenyl chloride (oxidation state 0) and selenocystamine (oxidation state −1). Benzeneseleninic acid and benzeneselenenyl chloride react very rapidly with MT and titrate substoichiometrically and with a 1:1 stoichiometry, respectively. Selenium compounds also catalyze the release of zinc from MT in peroxidation and thiol/disulfide-interchange reactions. The selenoenzyme glutathione peroxidase catalytically oxidizes MT and releases zinc in the presence of t-butyl hydroperoxide, suggesting that this type of redox chemistry may be employed in biology for the control of metal metabolism. Moreover, selenium compounds are likely targets for zinc/thiolate coordination centers in vivo, because the reactions are only partially suppressed by excess glutathione. This specificity and the potential to undergo catalytic reactions at low concentrations suggests that zinc release is a significant aspect of the therapeutic antioxidant actions of selenium compounds in antiinflammatory and anticarcinogenic agents.

Coordination polymers, metal–organic frameworks and the need for terminology guidelines

Coordination polymers (CPs) and metal–organic frameworks (MOFs) are among the most prolific research areas of inorganic chemistry and crystal engineering in the last 15 years, and yet it still seems that consensus is lacking about what they really are, or are not.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Seawater carbonate chemistry and photosynthetic response of Emiliania huxleyi (CS-369) to UV radiation and elevated temperature duirng experiments, 2011

Changes in calcification of coccolithophores may affect their photosynthetic responses to both, ultraviolet radiation (UVR, 280-400 nm) and temperature. We operated semi-continuous cultures of Emiliania huxleyi (strain CS-369) at reduced (0.1 mM, LCa) and ambient (10 mM, HCa) Ca2+ concentrations and, after 148 generations, we exposed cells to six radiation treatments (>280, >295, >305, >320, >350 and >395 nm by using Schott filters) and two temperatures (20 and 25 °C) to examine photosynthesis and calcification responses. Overall, our study demonstrated that: (1) decreased calcification resulted in a down regulation of photoprotective mechanisms (i.e., as estimated via non-photochemical quenching, NPQ), pigments contents and photosynthetic carbon fixation; (2) calcification (C) and photosynthesis (P) (as well as their ratio) have different responses related to UVR with cells grown under the high Ca2+ concentration being more resistant to UVR than those grown under the low Ca2+ level; (3) elevated temperature increased photosynthesis and calcification of E. huxleyi grown at high Ca2+concentrations whereas decreased both processes in low Ca2+ grown cells. Therefore, a decrease in calcification rates in E. huxleyi is expected to decrease photosynthesis rates, resulting in a negative feedback that further reduces calcification.