Piezoelectricity and ferroelectricity in amino acid glycine

Bioorganic ferroelectrics and piezoelectrics are becoming increasingly important in view of their intrinsic compatibility with biological environment and biofunctionality combined with strong piezoelectric effect and switchable polarization at room temperature. Here we study piezoelectricity and ferroelectricity in the smallest amino acid glycine, representing a broad class of non-centrosymmetric amino acids. Glycine is one of the basic and important elements in biology, as it serves as a building block for proteins. Three polymorphic forms with different physical properties are possible in glycine (α, β and γ), Of special interest for various applications are non-centrosymmetric polymorphs: β-glycine and γ-glycine. The most useful β-polymorph being ferroelectric took much less attention than the other due to its instability under ambient conditions. In this work, we could grow stable microcrystals of β-glycine by the evaporation of aqueous solution on a (111)Pt/Ti/SiO2/Si substrate as a template. The effects of the solution concentration and Pt-assisted nucleation on the crystal growth and phase evolution were characterized by X-ray diffraction analysis and Raman spectroscopy. In addition, spin-coating technique was used for the fabrication of highly aligned nano-islands of β-glycine with regular orientation of the crystallographic axes relative the underlying substrate (Pt). Further we study both as-grown and tip-induced domain structures and polarization switching in the β-glycine molecular systems by Piezoresponse Force Microscopy (PFM) and compare the results with molecular modeling and computer simulations. We show that β-glycine is indeed a room-temperature ferroelectric and polarization can be switched by applying a bias to non-polar cuts via a conducting tip of atomic force microscope (AFM). Dynamics of these in-plane domains is studied as a function of applied voltage and pulse duration. The domain shape is dictated by both internal and external polarization screening mediated by defects and topographic features. Thermodynamic theory is applied to explain the domain propagation induced by the AFM tip. Our findings suggest that β-glycine is a uniaxial ferroelectric with the properties controlled by the charged domain walls which in turn can be manipulated by external bias. Besides, nonlinear optical properties of β-glycine were investigated by a second harmonic generation (SHG) method. SHG method confirmed that the 2-fold symmetry is preserved in as-grown crystals, thus reflecting the expected P21 symmetry of the β-phase. Spontaneous polarization direction is found to be parallel to the monoclinic [010] axis and directed along the crystal length. These data are confirmed by computational molecular modeling. Optical measurements revealed also relatively high values of the nonlinear optical susceptibility (50% greater than in the z-cut quartz). The potential of using stable β-glycine crystals in various applications are discussed in this work.

Codon ambiguities as a mechanism to alter the genetic code in Saccharomyces cerevisiae

Although the genetic code is generally viewed as immutable, alterations to its standard form occur in the three domains of life. A remarkable alteration to the standard genetic code occurs in many fungi of the Saccharomycotina CTG clade where the Leucine CUG codon has been reassigned to Serine by a novel transfer RNA (Ser-tRNACAG). The host laboratory made a major breakthrough by reversing this atypical genetic code alteration in the human pathogen Candida albicans using a combination of tRNA engineering, gene recombination and forced evolution. These results raised the hypothesis that synthetic codon ambiguities combined with experimental evolution may release codons from their frozen state. In this thesis we tested this hypothesis using S. cerevisiae as a model system. We generated ambiguity at specific codons in a two-step approach, involving deletion of tRNA genes followed by expression of non-cognate tRNAs that are able to compensate the deleted tRNA. Driven by the notion that rare codons are more susceptible to reassignment than those that are frequently used, we used two deletion strains where there is no cognate tRNA to decode the rare CUC-Leu codon and AGG-Arg codon. We exploited the vulnerability of the latter by engineering mutant tRNAs that misincorporate Ser at these sites. These recombinant strains were evolved over time using experimental evolution. Although there was a strong negative impact on the growth rate of strains expressing mutant tRNAs at high level, such expression at low level had little effect on cell fitness. We found that not only codon ambiguity, but also destabilization of the endogenous tRNA pool has a strong negative impact in growth rate. After evolution, strains expressing the mutant tRNA at high level recovered significantly in several growth parameters, showing that these strains adapt and exhibit higher tolerance to codon ambiguity. A fluorescent reporter system allowing the monitoring of Ser misincorporation showed that serine was indeed incorporated and possibly codon reassignment was achieved. Beside the overall negative consequences of codon ambiguity, we demonstrated that codons that tolerate the loss of their cognate tRNA can also tolerate high Ser misincorporation. This raises the hypothesis that these codons can be reassigned to standard and eventually to new amino acids for the production of proteins with novel properties, contributing to the field of synthetic biology and biotechnology.

Nutritional Evaluation and Optimisation in Neonates: a randomized, double-blind controlled trial of amino acid regimen and intravenous lipid composition in preterm parenteral nutrition

Background: Parenteral nutrition is central to the care of very immature infants. Current international recommendations favor higher amino acid intakes and fish oil–containing lipid emulsions. Objective: The aim of this trial was to compare 1) the effects of high [immediate recommended daily intake (Imm-RDI)] and low [incremental introduction of amino acids (Inc-AAs)] parenteral amino acid delivery within 24 h of birth on body composition and 2) the effect of a multicomponent lipid emulsion containing 30% soybean oil, 30% medium-chain triglycerides, 25% olive oil, and 15% fish oil (SMOF) with that of soybean oil (SO)-based lipid emulsion on intrahepatocellular lipid (IHCL) content. Design: We conducted a 2-by-2 factorial, double-blind, multicenter randomized controlled trial. Results: We randomly assigned 168 infants born at ,31 wk of gestation. We evaluated outcomes at term in 133 infants. There were no significant differences between Imm-RDI and Inc-AA groups for nonadipose mass [adjusted mean difference: 1.0 g (95% CI: 2108, 111 g; P = 0.98)] or between SMOF and SO groups for IHCL [adjusted mean SMOF:SO ratio: 1.1 (95% CI: 0.8, 1.6; P = 0.58]. SMOF does not affect IHCL content. There was a significant interaction (P = 0.05) between the 2 interventions for nonadipose mass. There were no significant interactions between group differences for either primary outcome measure after adjusting for additional confounders. Imm-RDI infants were more likely than Inc-AA infants to have blood urea nitrogen concentrations .7 mmol/L or .10 mmol/L, respectively (75% compared with 49%, P , 0.01; 49% compared with 18%, P , 0.01). Head circumference at term was smaller in the Imm-RDI group [mean difference: 20.8 cm (95% CI: 21.5, 20.1 cm; P = 0.02)]. There were no significant differences in any prespecified secondary outcomes, including adiposity, liver function tests, incidence of conjugated hyperbilirubinemia, weight, length, mortality, and brain volumes. Conclusion: Imm-RDI of parenteral amino acids does not benefit body composition or growth to term and may be harmful. This trial was registered at www.isrctn.com as ISRCTN29665319 and at eudract.ema.europa.eu as EudraCT 2009-016731-34.

Synthesis of molecular biomimetics

Biomimetics has paved the way toward new materials and technologies inspired in Nature. Biomolecules and their supramolecular organization have today a leading role in biomimetics, benefiting from the recent advances in nanotechnology. The production of biomimetic materials may be however a difficult task, because Nature does it very well. The use of several building blocks assembled in bottom-up arrangement is without doubt at the core of this process. Such building blocks include different molecules or molecular arrangements, of synthetic or natural origin, such as amino acids, lipids, carbohydrates, nucleic acids, carbon allotropes, dendrimers, or organosilanes, among others. The most common approaches to produce synthetic biomimetic materials are reported herein, with special emphasis to building blocks and their supramolecular arrangement.

Amino acid transport : the special case of a H/L-glutamate cotransport system in Asparagus sprengeri mesophyll cells /

The addition of L-Glutamate (L-GLU) and L-Hethionine ~ulfoximine (L-HSO) to mechanically isolated. photosynthetically competent, Asparagus sprengeri mesophyll cells ~u~pended in 1mM CaS04 cau~ed an immediate transient alkalinization of the cell su~pension medium in both the light and dark. The alkalinization response was specific and stereospecific as none of the L-isomers of the other 19 protein amino acids tested or D-GLU gave this response. Uptake of 14C-L-GLU was stimulated by the light. The addition of non-radioactive L-GLU. or L-GLU analogs together with 14C-L-GLU showed that only L-GLU and L-HSO stimulated alkalinization whilst inhibiting the uptake of 14C-L-GLU. Both the L-GLU dependent alkalinization and the upt~ke of 14C-L-GLU were stimulated when the external pH was decreased from 6.5 to 5.5. Increasing external K+ concentrations inhibited the uptake of 14C-L-GLU. Fusicoccin (FC) stimulated uptake. The L-GLU dependent alkalinization re~ponse exhibited monophasic saturation kinetics while the uptake of 14C-L-GLU exhibited biphasic saturation kinetics. In addition to a saturable component. the uptake kinetics also showed a linear component of uptake. Addition of L-GLU and L-MSO caused internal acidification of the cell as measured by a change in the distribution of 14C-DMO. There was no change in K+ efflux when L-GLU was added. A H+ to L-GLUinflux stoichiometry of 3:1 wa~ mea~ured at an external I.-GLU concentration of O.5mM and increased with increasing external 13 L-QLU concentration. Metabolism of L-GLU was detected manometrlcally by observing an increase in COa evolution upon the addition of L-QLU and by detection of i*C02 evolution upon the addition of »*C-L-GLU. »*C02 evolution was higher in the dark than in the light. The data are consistent with the operation of a H+/L-QLO cotransport system. The data also show that attempts to quantify the stoichlometry of the process were complicated by the metabolism of L-GLU.

Studies toward the total synthesis of natural and unnatural aeruginosins

Nous avons démontré l’utilité du groupement protecteur tert-butylsulfonyle (N-Bus) pour la chimie des acides aminés et des peptides. Celui-ci est préparé en deux étapes, impliquant la réaction d’une amine avec le chlorure de tert-butylsulfinyle, suivie par l’oxydation par du m-CPBA, pour obtenir les tert-butylsulfonamides correspondants avec d’excellents rendements. Le groupement N-Bus peut être clivé par traitement avec 0.1 N TfOH/DCM/anisole à 0oC en 10h pour régénérer le sel d’ammonium. Une variété d’acides aminés N-Bus protégés ainsi que d’autres aminoacides peuvent alors être utilisés pour préparer divers dipeptides et tripeptides. A l’exception du groupe N-Fmoc, les conditions de déprotection du groupe N-Bus clivent également les groupements N-Boc, N-Cbz et O-Bn. Une déprotection sélective et orthogonale des groupes N-Boc, N-Cbz, N-Fmoc et O-Bn est également possible en présence du groupe protecteur N-Bus. Le nouvel acide aminé non-naturel (3R, 2R) 3–méthyl-D-leucine (β-Me-Leu) et son régioisomère 2-méthyle ont été synthétisés par ouverture d’une N-Ts aziridine en présence d’un excès de LiMe2Cu. Chacun des régioisomères du mélange (1:1,2) a été converti en la méthylleucine correspondante, puis couplé à l’acide D-phényllactique puis au motif 2-carboxyperhydroindole 4-amidinobenzamide en présence de DEPBT. Des élaborations ultérieures ont conduit à des analogues peptidiques non-naturels d’aeruginosines telles que la chlorodysinosine A. Les deux analogues ont ensuite été évalués pour leur activité inhibitrice de la thrombine et la trypsine. La présumée aeruginosine 3-sulfate 205B et son anomère β ont été synthétisés avec succès à partir de 5 sous-unités : la 3-chloroleucine, l’acide D-phényllactique, le D-xylose, le 2-carboxy-6-hydroxyoctahydroindole et l’agmatine. La comparaison des données RMN 1H et 13C reportées avec celles obtenues avec l’aeruginosine synthétique 205B révèle une différence majeure pour la position du groupe présumé 3'-sulfate sur l’unité D-xylopyranosyle. Nous avons alors synthétisés les dérivés méthyl-α-D-xylopyranosides avec un groupement sulfate à chacune des positions hydroxyles, afin de démontrer sans ambiguïté la présence du sulfate en position C-4' par comparaison des données spectroscopiques RMN 1H et 13C. La structure de l’aeruginosine 205B a alors été révisée. Une des étapes-clés de cette synthèse consiste en la formation du glycoside avec le groupe hydroxyle en C-6 orienté en axial sur la sous-unité Choi. Le 2-thiopyridylcarbonate s’est avéré une méthode efficace pour l’activation anomérique. Le traitement par AgOTf et la tétraméthylurée en solution dans un mélange éther-DCM permet d’obtenir l’anomère α désiré, qui peut alors être aisément séparé de l’anomère β par chromatographie

Contrôle de l'expression de la protéine PHEX et rôle de PHEX et FGF23 dans la minéralisation par les cellules MC3T3

PHEX est une protéine importante dans le processus de minéralisation osseuse. Des mutations ou la délétion d’une partie de ce gène causent l’hypophosphatémie liée au chromosome X (XLH). Cette maladie est caractérisée par une hypophosphatémie, accompagnée de défauts de minéralisation, de rachitisme et de lésions ostéomalaciques. Avec l’hypophosphatémie, les taux circulants de vitamine D devraient être augmentés, ce qui n’est pas le cas d’où une régulation anormale de la production de vitamine D a lieu. Cependant, malgré le fait que cette protéine soit une peptidase, aucun substrat physiologique n’a encore été répertorié pour PHEX. PHEX est une protéine membranaire de type II de la famille M13 des métalloendopeptidases à zinc possédant un court domaine N-terminal cytosolique, un segment transmembrannaire d’environ 20 acides aminés et une large portion C-terminale extracellulaire où se trouve le site actif de l’enzyme. PHEX est exprimée de façon majoritaire dans les os et dans les dents et elle apparaît à l’initiation de la minéralisation. Les patients souffrant de XLH et la souris Hyp, qui est un modèle animal de la maladie humaine, montrent des quantités importantes de la protéine FGF23. De plus, FGF23 est impliqué dans une autre maladie reliée au métabolisme du phosphate, l’hypophosphatémie rachitique autosomale dominante (ADHR) où des mutations de FGF23 causent sensiblement les mêmes symptômes que XLH. FGF23 est produit principalement par les ostéoblastes et les ostéocytes. FGF23 cause une hypophosphatémie par la diminution de l’expression du cotransporteur NaPi de type II, responsable de la réabsorption du phosphate rénal. L’hypothèse proposée dans la littérature serait que PHEX activerait ou inactiverait des peptides importants pour la minéralisation osseuse. Plus spécifiquement, l’activation ou l’inactivation de ces peptides aurait pour rôle de réguler les quantités de FGF23. Selon l’hypothèse mentionnée précédemment, la régulation de PHEX pourrait donc avoir un effet sur la minéralisation. Une quantité croissante de données sur la régulation de PHEX sont maintenant disponibles. Par exemple, la vitamine D diminue l’expression de PHEX tandis que les glucocorticoïdes et l’hormone de croissance augmentent son expression. Dans une première étude, nous avons voulu déterminer si un peptide relié à la minéralisation osseuse, le PTHrP1-34, pouvait réguler l’expression de PHEX. Nous avons déterminé que le PTHrP1-34 peut réguler de façon négative l’expression de PHEX dans les cellules UMR-106, une lignée cellulaire ostéoblastique. Cette régulation passe par la voie de l’AMPc/protéine kinase A. De plus, cette diminution d’expression est également observée au jour 7 dans des cultures primaires d’ostéoblastes de rat en minéralisation. Par la suite, nous avons étudié un mutant de PHEX, le mutant E4Q retrouvé chez un patient souffrant de XLH, où la mutation se retrouve dans le domaine cytosolique de PHEX. Cette mutation n’interfère pas avec le site catalytique de l’enzyme puisque ce mutant de PHEX peut tout aussi bien cliver un substrat synthétique que la protéine sauvage. Il a été déterminé que cette mutation annule un motif di-acide. Nous avons démontré que ce motif di-acide est responsable de la liaison de PHEX à COPII, responsable de la formation de vésicules de sécrétion. De plus, il semblerait que ce motif soit important, probablement par son interaction avec COPII, à l’incorporation de PHEX dans des vésicules de calcification, lesdites vésicules étant importantes dans le processus de minéralisation. Finalement, des essais de compétitions ont démontré que la minéralisation pouvait être perturbée lorsque l’on surexprimait la queue cytosolique sauvage de PHEX, contrairement à la queue mutée. Ceci suggère possiblement que l’interaction avec COPII menant à l’incorporation de PHEX dans les vésicules de calcification ou d’autres protéines comprenant de tels motifs pourrait être importante pour la minéralisation. Finalement, la dernière étude porte sur la protéine FGF23. Nous avons démontré, par la surexpression de FGF23 dans la lignée MC3T3 d’ostéoblastes de souris, que cette surexpression a un effet sur la sénescence de ces cellules. En effet, des essais de sénescence ont montré l’augmentation de celle-ci lorsque FGF23 est surexprimé. Par contre, la prolifération n’est pas altérée. De plus, il semblerait que la différenciation soit plus rapide, tel qu’observé par une minéralisation survenant plus tôt, mais n’étant pas plus importante. Bref, la surexpression de FGF23 semblerait faire en sorte que les ostéoblastes se différencient plus rapidement et passent donc à un état de sénescence prématuré comparativement aux cellules sauvages. Ceci est en accord avec la littérature où KLOTHO, un cofacteur de FGF23 permettant sa liaison avec une plus grande affinité sur son récepteur, lorsqu’inactivé démontre un phénotype similaire au vieillissement incluant un phénotype de sénescence.

Impact of a neonatal parenteral nutrition on the hepatic activity of methionine adenosyltransferase, a limiting step for glutathione synthesis

Problématique : Le glutathion est une molécule clé de la défense antioxydante. Chez les enfants sous nutrition parentérale (NP), particulièrement les nouveau-nés, sa concentration tissulaire est anormalement basse. Puisque la capacité de synthèse de glutathion est adéquate, un déficit en cystéine, le substrat limitant, est soupçonnée. À cause de son instabilité en solution, la cystéine est peu présente en NP; la méthionine étant le précurseur endogène de cet acide aminé. L’activité de la méthionine adénosyltransférase (MAT), une enzyme essentielle à la transformation de la méthionine en cystéine, est facilement inhibée par l’oxydation. L’hypothèse : Le faible taux de glutathion chez les enfants sous NP est causé par l’inhibition de la MAT par les peroxydes contaminant ces solutions nutritives. Objectif: Mesurer l’impact d’une infusion de NP et de H2O2 sur l’activité hépatique de MAT en relation avec le niveau de glutathion. Méthode : Un cathéter est placé dans la jugulaire droite de cobayes de trois jours de vie. Quatre groupes sont comparés:1- Témoin (animaux aucune manipulation, sans cathéter) 2)-(animaux nourris normalement et le cathéter (noué)); 3) NP (animaux nourris exclusivement par voie intraveineuse (acides aminés + dextrose + lipides + vitamines + électrolytes), cette solution génère environ 400 µM de peroxyde. 4) H2O2 (animaux nourris normalement et recevant via le cathéter 400 µM de H2O2). Après quatre jours, le foie et le sang sont prélevés pour la détermination du glutathion, potentiel redox et l’activité de MAT, glutathion peroxydase et glutathion reductase. Résultats : L’activité de MAT est plus faible dans les groupes NP et H2O2. Le potentiel redox du foie et dans le sang est plus oxydé dans le groupe NP. Tandis que la concentration de GSSG du foie est plus élevée dans le groupe NP. Ainsi la concentration de GSH dans le sang et foie est plus faible dans les NP et H2O2 Discussion: La relation entre l’inhibition de MAT et le stress oxydant observée dans le groupe NP pourrait bien expliquer la perturbation du système glutathion observée chez les nouveau-nés prématurés.

Méthodologie pour la synthèse combinatoire d’azapeptides: application à la synthèse d’analogues aza-GHRP-6 en tant que ligands du récepteur CD36

Les azapeptides sont des mimes peptidiques où le carbone alpha d’un ou de plusieurs acides aminés est remplacé par un atome d’azote. Cette modification tend à stabiliser une conformation en repliement beta en raison de la répulsion électronique entre les paires d’électrons libres des atomes d’azote adjacents et de la géométrie plane de l’urée. De plus, le résidu semicarbazide a une meilleure résistance face aux protéases en plus d’être chimiquement plus stable qu’une liaison amide. Bien que les propriétés des azapeptides en fassent des mimes peptidiques intéressants, leurs méthodes de synthèses font appel à la synthèse laborieuse d’hydrazines substituées en solution. Le peptide sécréteur d’hormone de croissance 6 (GHRP-6, His-D-Trp-Ala-Trp-D-Phe-Lys-NH2) est un hexapeptide synthétique qui possède une affinité pour deux récepteurs distincts: les récepteurs GHS-R1a et CD36. Les travaux effectués au cours de mon doctorat qui seront détaillés dans cet ouvrage visent à atteindre deux objectifs: (1) le développement d’analogues du peptide GHRP-6 sélectif à un seul récepteur et (2) la mise au point d’une nouvelle méthodologie pour la synthèse combinatoire d’azapeptides. En réponse au premier objectif, la synthèse parallèle de 49 analogues aza-GHRP-6 a été effectuée et certains candidats sélectifs au récepteur CD36 ont été identifiés. L’étude de leurs propriétés anti-angiogéniques, effectuée par nos collaborateurs, a également permis d’identifier des candidats intéressants pour le traitement potentiel de la dégénérescence maculaire liée à l’âge. Une nouvelle approche pour la synthèse combinatoire d’azapeptides, faisant appel à l’alkylation et la déprotection chimiosélective d’une sous-unité semicarbazone ancrée sur support solide, a ensuite été développée. La portée de cette méthodologie a été augmentée par la découverte de conditions permettant l’arylation régiosélective de cette sous-unité semicarbazone, donnant accès à treize nouveaux dérivés aza-GHRP-6 possédant des résidus aza-arylglycines aux positions D-Trp2 et Trp4. L’élaboration de conditions propices à l’alkylation et la déprotection chimiosélective de la semicarbazone a donné accès à une variété de chaînes latérales sur l’acide aminé « aza » préalablement inaccessibles. Nous avons, entre autres, démontré qu’une chaîne latérale propargyl pouvait être incorporée sur l’acide aminé « aza ». Tenant compte de la réactivité des alcynes, nous avons ensuite élaboré des conditions réactionnelles permettant la formation in situ d’azotures aromatiques, suivie d’une réaction de cycloaddition 1,3-dipolaire sur support solide, dans le but d’obtenir des mimes de tryptophane. Sept analogues du GHRP-6 ont été synthétisés et testés pour affinité au récepteur CD36 par nos collaborateurs. De plus, nous avons effectué une réaction de couplage en solution entre un dipeptide possédant un résidu aza-propargylglycine, du paraformaldehyde et une variété d’amines secondaires (couplage A3) afin d’accéder à des mimes rigides d’aza-lysine. Ces sous-unités ont ensuite été incorporées sur support solide afin de générer sept nouveaux azapeptides avec des dérivés aza-lysine à la position Trp4 du GHRP-6. Enfin, une réaction de cyclisation 5-exo-dig a été développée pour la synthèse de N-amino imidazolin-2-ones en tant que nouveaux mimes peptidiques. Leur fonctionnalisation par une série de groupements benzyliques à la position 4 de l’hétérocycle a été rendue possible grâce à un couplage Sonogashira précédant la réaction de cyclisation. Les propriétés conformationnelles de cette nouvelle famille de composés ont été étudiées par cristallographie aux rayons X et spectroscopie RMN d’un tétrapeptide modèle. L’activité biologique de deux mimes peptidiques, possédant un résidu N-amino-4-méthyl- et 4-benzyl-imidazolin-2-one à la position Trp4 du GHRP-6, a aussi été examinée. L’ensemble de ces travaux devrait contribuer à l’avancement des connaissances au niveau des facteurs structurels et conformationnels requis pour le développement d’azapeptides en tant que ligands du récepteur CD36. De plus, les résultats obtenus devraient encourager davantage l’utilisation d’azapeptides comme peptidomimétiques grâce à leur nouvelle facilité de synthèse et la diversité grandissante au niveau de la chaîne latérale des acides aminés « aza ».

Conception, synthèse et diversification de l'azaGly-Pro : un mime de tour beta, outil d'étude structure-activité : application au développement d'un nouvel agent tocolytique

Les accouchements prématurés constituent un problème médical majeur en constante augmentation et ce, malgré tous les efforts mis en œuvre afin de contrer le déclenchement des contractions avant terme. Cette thèse relate du ''design'' rationnel d'un nouvel agent thérapeutique (i.e., tocolytique) qui serait capable de 1) arrêter les contractions, et 2) prolonger la gestation. Pour ce faire, une nouvelle cible, la prostaglandine F2α et son récepteur ont été sélectionnés et le peptidomimétisme a été choisi afin de résoudre cette problématique. L'introduction contient un historique rapide de la conception à la synthèse (''drug design'') du peptide parent, le PDC113, premier peptide a avoir démontré des aptitudes tocolytiques suffisantes pour faire du peptidomimétisme. La deuxième partie de l'introduction présente les concepts du peptidomimétisme appliqués au PDC113 qui ont permis d'accéder au PDC113.824, inhibiteur allostérique du récepteur de la prostaglandine F2α, et explique comment ce mime nous a permis d'élucider les mécanismes de signalisation intracellulaire impliqués dans la contraction musculaire lisse. Cette thèse présente la conception, la synthèse et l'étude structure-activité de mimes de repliement de tour β au sein du mime peptidique original (PDC113.824) dans lequel nous avons remplacé l'azabicycloalkane central (l'indolizidin-2-one) par une série d'autres azabicycloalcanes connus et des acides aza-aminés dont nous avons élaboré la synthèse. Dans un premier temps, une nouvelle stratégie de synthèse en solution de l'aza-glycyl-proline à partir de la diphényle hydrazone et du chloroformate de p-nitrophényle a été réalisée. Cette stratégie a permis d'éliminer les réactions secondaires de cyclisation intramoléculaires communément obtenues lors de l'introduction d'acides aza-aminés avec les protections traditionnelles de type carbamate en présence de phosgène, mais aussi de faciliter l'accès en une étape à des dérivés peptidiques du type aza-glycyle. L'élongation de l'aza-glycyl-proline en solution nous a permis d'accéder à un nouveau mime tetrapeptidique du Smac, un activateur potentiel de l'apoptose au sein de cellules cancéreuses. Par la suite, nous avons développé une stratégie de diversification sélective de l'azote α du résidu azaglycine en utilisant différents types d'halogénures d'alkyle en présence de tert-butoxyde de potassium. Afin de valider le protocole d'alkylation de l'aza-dipeptide, différents halogénures d'alkyle ont été testés. Nous avons également démontré l'utilité des aza-dipeptides résultants en tant que ''building block'' afin d'accéder à une variété d'azapeptides. En effet, l'aza-dipeptide a été déprotégée sélectivement soit en N-terminal soit en C-terminal, respectivement. D'autre part, la libération de l'amine de l'ester méthylique de l'aza-alkylglycyl-proline a conduit à une catégorie de composés à potentiel thérapeutique, les azadicétopipérazines (aza-DKP) par cyclisation intramoléculaire. Enfin, notre intérêt quant au développement d'un nouvel agent tocolytique nous a amené à développer une nouvelle voie de synthèse en solution du PDC113.824 permettant ainsi d'élucider les voies de signalisation intracellulaires du récepteur de la prostaglandine F2α. Afin de valider l'importance de la stéréochimie et d'étudier la relation structure/ activité du mime, nous avons remplacé l'indolizidin-2-one (I2aa) centrale du PDC113.824 par une série d'autres azabicycloalcanes et azadipeptides. Les azabicycloalcanes D-I2aa, quinolizidinone, et indolizidin-9-one ont été synthétisés et incorporés au sein du dit peptide ne donnant aucune activité ni in vitro ni ex vivo, validant ainsi l'importance du tour β de type II' pour le maintien de l'activité biologique du PDC113.824. Finalement, l'insertion d'une série de dérivés aza(alkyl)glycyl-prolyles a mené à de nouveaux inhibiteurs allostériques du récepteur de la PGF2α, l'un contenant l'azaglycine et l'autre, l'azaphénylalanine. Cette thèse a ainsi contribué, grâce à la conception et l'application de nouvelles méthodes de synthèse d'aza-peptides, au développement de nouveaux composés à potentiel thérapeutique afin d'inhiber le travail prématuré.

Azabicycloalkanone synthesis by transannular cyclization

Une stratégie de synthèse efficace de différents composés de type azabicyclo[X.Y.0]alkanone fonctionnalisés a été développée. La stratégie synthétique implique la préparation de dipeptides par couplage avec des motifs vinyl-, allyl-, homoallyl- et homohomoallylglycine suivi d’une réaction de fermeture de cycle par métathèse permettant d’obtenir des lactames macrocycliques de 8, 9 et 10 membres, qui subissent une iodolactamisation transannulaire menant à l’obtention de mimes peptidiques bicycliques portant un groupement iode. Des couplages croisés catalysés par des métaux de transition ont été développés pour la synthèse d’acides aminés ω-insaturés énantiomériquement purs à partir de l’iodoanaline. L’étude du mécanisme suggère que l’iodure subit une attaque du coté le moins stériquement encombré de la lactame macrocyclique insaturée pour mener à l’obtention d’un intermédiaire iodonium. La cyclisation se produit ensuite par une route minimisant les interactions diaxiales et la tension allylique. L’iodolactamisation des différentes lactames macrocycliques insaturées a mené à l’obtention regio- et diastéréosélective d’acides aminés 5,5- et 6,6-iodobicycicliques. De plus, une imidate azabicyclo[4.3.1]alkane pontée de type anti-Bredt fut synthétisée à partir d’une lactame macrocyclique insaturé à neuf membres. Les analyses cristallographiques et spectroscopiques des macrocycles à 8, 9 et 10 membres, du composé iodobicyclique 5,5 ainsi que de l’imidate pontée, montrent bien le potentiel de ces dipeptides rigidifiés de servir en tant que mimes des résidus centraux de tours β de type I, II’, II et VI.

Amino acid substitutions in σ1 and μ1 outer capsid proteins are selected during mammalian reovirus adaptation to Vero cells

Establishment of viral persistence in cell culture has previously led to the selection of mammalian reovirus mutants, although very few of those have been characterized in details. In the present study, reovirus was adapted to Vero cells that, in contrast to classically-used L929 cells, are inefficient in supporting the early steps of reovirus uncoating and are also unable to produce interferon as an antiviral response once infection occurs. The Vero cell-adapted reovirus exhibits amino acids substitutions in both the σ1 and μ1 proteins. This contrasts with uncoating mutants from persistently-infected L929 cells, and various other cell types, that generally harbor amino acids substitutions in the σ3 outer capsid protein. The Vero cell-adapted virus remained sensitive to an inhibitor of lysosomal proteases; furthermore, in the absence of selective pressure for its maintenance, t he virus has partially lost its ability to resist interferon. The positions of the amino acids substitutions on the known protein structures suggest an effect on binding of the viral σ1 protein to the cell surface and on μ1 disassembly from the outer capsid.

Design and study of self-assembled functional organic and hybrid systems for biological applications

The focus of self-assembly as a strategy for the synthesis has been confined largely to molecules, because of the importance of manipulating the structure of matter at the molecular scale. We have investigated the influence of temperature and pH, in addition to the concentration of the capping agent used for the formation of the nano-bio conjugates. For example, the formation of the narrower size distribution of the nanoparticles was observed with the increase in the concentration of the protein, which supports the fact that γ-globulin acts both as a controller of nucleation as well as stabiliser. As analyzed through various photophysical, biophysical and microscopic techniques such as TEM, AFM, C-AFM, SEM, DLS, OPM, CD and FTIR, we observed that the initial photoactivation of γ-globulin at pH 12 for 3 h resulted in small protein fibres of ca. Further irradiation for 24 h, led to the formation of selfassembled long fibres of the protein of ca. 5-6 nm and observation of surface plasmon resonance band at around 520 nm with the concomitant quenching of luminescence intensity at 680 nm. The observation of light triggered self-assembly of the protein and its effect on controlling the fate of the anchored nanoparticles can be compared with the naturally occurring process such as photomorphogenesis.Furthermore,our approach offers a way to understand the role played by the self-assembly of the protein in ordering and knock out of the metal nanoparticles and also in the design of nano-biohybrid materials for medicinal and optoelectronic applications. Investigation of the potential applications of NIR absorbing and water soluble squaraine dyes 1-3 for protein labeling and anti-amyloid agents forms the subject matter of the third chapter of the thesis. The study of their interactions with various proteins revealed that 1-3 showed unique interactions towards serum albumins as well as lysozyme. 69%, 71% and 49% in the absorption spectra as well as significant quenching in the fluorescence intensity of the dyes 1-3, respectively. Half-reciprocal analysis of the absorption data and isothermal titration calorimetric (ITC) analysis of the titration experiments gave a 1:1 stoichiometry for the complexes formed between the lysozyme and squaraine dyes with association constants (Kass) in the range 104-105 M-1. We have determined the changes in the free energy (ΔG) for the complex formation and the values are found to be -30.78, -32.31 and -28.58 kJmol-1, respectively for the dyes 1, 2 and 3. Furthermore, we have observed a strong induced CD (ICD) signal corresponding to the squaraine chromophore in the case of the halogenated squaraine dyes 2 and 3 at 636 and 637 nm confirming the complex formation in these cases. To understand the nature of interaction of the squaraine dyes 1-3 with lysozyme, we have investigated the interaction of dyes 1-3 with different amino acids. These results indicated that the dyes 1-3 showed significant interactions with cysteine and glutamic acid which are present in the side chains of lysozyme. In addition the temperature dependent studies have revealed that the interaction of the dye and the lysozyme are irreversible. Furthermore, we have investigated the interactions of these NIR dyes 1-3 with β- amyloid fibres derived from lysozyme to evaluate their potential as inhibitors of this biologically important protein aggregation. These β-amyloid fibrils were insoluble protein aggregates that have been associated with a range of neurodegenerative diseases, including Huntington, Alzheimer’s, Parkinson’s, and Creutzfeldt-Jakob diseases. We have synthesized amyloid fibres from lysozyme through its incubation in acidic solution below pH 4 and by allowing to form amyloid fibres at elevated temperature. To quantify the binding affinities of the squaraine dyes 1-3 with β-amyloids, we have carried out the isothermal titration calorimetric (ITC) measurements. The association constants were determined and are found to be 1.2 × 105, 3.6× 105 and 3.2 × 105 M-1 for the dyes, 1-3, respectively. To gain more insights into the amyloid inhibiting nature of the squaraine dyes under investigations, we have carried out thioflavin assay, CD, isothermal titration calorimetry and microscopic analysis. The addition of the dyes 1-3 (5μM) led to the complete quenching in the apparent thioflavin fluorescence, thereby indicating the destabilization of β-amyloid fibres in the presence of the squaraine dyes. Further, the inhibition of the amyloid fibres by the squaraine dyes 1-3, has been evidenced though the DLS, TEM AFM and SAED, wherein we observed the complete destabilization of the amyloid fibre and transformation of the fibre into spherical particles of ca. These results demonstrate the fact that the squaraine dyes 1-3 can act as protein labeling agents as well as the inhibitors of the protein amyloidogenesis. The last chapter of the thesis describes the synthesis and investigation of selfassembly as well as bio-imaging aspects of a few novel tetraphenylethene conjugates 4-6.Expectedly, these conjugates showed significant solvatochromism and exhibited a hypsochromic shift (negative solvatochromism) as the solvent polarity increased, and these observations were justified though theoretical studies employing the B3LYP/6-31g method. We have investigated the self-assembly properties of these D-A conjugates though variation in the percentage of water in acetonitrile solution due to the formation of nanoaggregates. Further the contour map of the observed fluorescence intensity as a function of the fluorescence excitation and emission wavelength confirmed the formation of J-type aggregates in these cases. To have a better understanding of the type of self-assemblies formed from the TPE conjugates 4-6, we have carried out the morphological analysis through various microscopic techniques such as DLS, SEM and TEM. 70%, we observed rod shape architectures having ~ 780 nm in diameter and ~ 12 μM in length as evidenced through TEM and SEM analysis. We have made similar observations with the dodecyl conjugate 5 at ca. 70% and 50% water/acetonitrile mixtures, the aggregates formed from 4 and 5 were found to be highly crystalline and such structures were transformed to amorphous nature as the water fraction was increased to 99%. To evaluate the potential of the conjugate as bio-imaging agents, we have carried out their in vitro cytotoxicity and cellular uptake studies though MTT assay, flow cytometric and confocal laser scanning microscopic techniques. Thus nanoparticle of these conjugates which exhibited efficient emission, large stoke shift, good stability, biocompatibility and excellent cellular imaging properties can have potential applications for tracking cells as well as in cell-based therapies. In summary we have synthesized novel functional organic chromophores and have studied systematic investigation of self-assembly of these synthetic and biological building blocks under a variety of conditions. The investigation of interaction of water soluble NIR squaraine dyes with lysozyme indicates that these dyes can act as the protein labeling agents and the efficiency of inhibition of β-amyloid indicate, thereby their potential as anti-amyloid agents.

Provenance, Isolation and Characterisation of Organic Matter in the Cochin Estuarine Sediment-“a Diagenetic Amino Acid Marker Scenario

Cochin estuarine system is among the most productive aquatic environment along the Southwest coast of India, exhibits unique ecological features and possess greater socioeconomic relevance. Serious investigations carried out during the past decades on the hydro biogeochemical variables pointed out variations in the health and ecological functioning of this ecosystem. Characterisation of organic matter in the estuary has been attempted in many investigations. But detailed studies covering the degradation state of organic matter using molecular level approach is not attempted. The thesis entitled Provenance, Isolation and Characterisation of Organic Matter in the Cochin Estuarine Sediment-“ A Diagenetic Amino Acid Marker Scenario” is an integrated approach to evaluate the source, quantity, quality, and degradation state of the organic matter in the surface sediments of Cochin estuarine system with the combined application of bulk and molecular level tools. Sediment and water samples from nine stations situated at Cochin estuary were collected in five seasonal sampling campaigns, for the biogeochemical assessment and their distribution pattern of sedimentary organic matter. The sampling seasons were described and abbreviated as follows: April- 2009 (pre monsoon: PRM09), August-2009 (monsoon: MON09), January-2010 (post monsoon: POM09), April-2010 (pre monsoon: PRM10) and September- 2012 (monsoon: MON12). In order to evaluate the general environmental conditions of the estuary, water samples were analysed for water quality parameters, chlorophyll pigments and nutrients by standard methods. Investigations suggested the fact that hydrographical variables and nutrients in Cochin estuary supports diverse species of flora and fauna. Moreover the sedimentary variables such as pH, Eh, texture, TOC, fractions of nitrogen and phosphorous were determined to assess the general geochemical setting as well as redox status. The periodically fluctuating oxic/ anoxic conditions and texture serve as the most significant variables controlling other variables of the aquatic environment. The organic matter in estuary comprise of a complex mixture of autochthonous as well as allochthonous materials. Autochthonous input is limited or enhanced by the nutrient elements like N and P (in their various fractions), used as a tool to evaluate their bioavailability. Bulk parameter approach like biochemical composition, stoichiometric elemental ratios and stable carbon isotope ratio was also employed to assess the quality and quantity of sedimentary organic matter in the study area. Molecular level charactersation of free sugars and amino acids were carried out by liquid chromatographic techniques. Carbohydrates are the products of primary production and their occurrence in sediments as free sugars can provide information on the estuarine productivity. Amino acid biogeochemistry provided implications on the system productivity, nature of organic matter as well as degradation status of the sedimentary organic matter in the study area. The predominance of carbohydrates over protein indicated faster mineralisation of proteinaceous organic matter in sediments and the estuary behaves as a detrital trap for the accumulation of aged organic matter. The higher lipid content and LPD/CHO ratio pointed towards the better food quality that supports benthic fauna and better accumulation of lipid compounds in the sedimentary environment. Allochthonous addition of carbohydrates via terrestrial run off was responsible for the lower PRT/CHO ratio estimated in thesediments and the lower ratios also denoted a detrital heterotrophic environment. Biopolymeric carbon and the algal contribution to BPC provided important information on the better understanding the trophic state of the estuarine system and the higher values of chlorophyll-a to phaeophytin ratio indicated deposition of phytoplankton to sediment at a rapid rate. The estimated TOC/TN ratios implied the combined input of both terrestrial and autochthonous organic matter to sedimentsAmong the free sugars, depleted levels of glucose in sediments in most of the stations and abundance of mannose at station S5 was observed during the present investigation. Among aldohexoses, concentration of galactose was found to be higher in most of the stationsRelative abundance of AAs in the estuarine sediments based on seasons followed the trend: PRM09-Leucine > Phenylalanine > Argine > Lysine, MON09-Lysine > Aspartic acid > Histidine > Tyrosine > Phenylalanine, POM09-Lysine > Histadine > Phenyalanine > Leucine > Methionine > Serine > Proline > Aspartic acid, PRM10-Valine > Aspartic acid > Histidine > Phenylalanine > Serine > Proline, MON12-Lysine > Phenylalanine > Aspartic acid > Histidine > Valine > Tyrsine > MethionineThe classification of study area into three zones based on salinity was employed in the present study for the sake of simplicity and generalized interpretations. The distribution of AAs in the three zones followed the trend: Fresh water zone (S1, S2):- Phenylalanine > Lysine > Aspartic acid > Methionine > Valine ῀ Leucine > Proline > Histidine > Glycine > Serine > Glutamic acid > Tyrosine > Arginine > Alanine > Threonine > Cysteine > Isoleucine. Estuarine zone (S3, S4, S5, S6):- Lysine > Aspartic acid > Phenylalanine > Leucine > Valine > Histidine > Methionine > Tyrosine > Serine > Glutamic acid > Proline > Glycine > Arginine > Alanine > Isoleucine > Cysteine > Threonine. Riverine /Industrial zone (S7, S8, S9):- Phenylalanine > Lysine > Aspartic acid > Histidine > Serine > Arginine > Tyrosine > Leucine > Methionine > Glutamic acid > Alanine > Glycine > Cysteine > Proline > Isoleucine > Threonine > Valine. The abundance of AAs like glutamic acid, aspartic acid, isoleucine, valine, tyrosine, and phenylalanine in sediments of the study area indicated freshly derived organic matter.

Development of designed site-directed pseudopeptide-peptido-mimetic immunogens as novel minimal subunit-vaccine candidates for malaria

Synthetic vaccines constitute the most promising tools for controlling and preventing infectious diseases. When synthetic immunogens are designed from the pathogen native sequences, these are normally poorly immunogenic and do not induce protection, as demonstrated in our research. After attempting many synthetic strategies for improving the immunogenicity properties of these sequences, the approach consisting of identifying high binding motifs present in those, and then performing specific changes on amino-acids belonging to such motifs, has proven to be a workable strategy. In addition, other strategies consisting of chemically introducing non-natural constraints to the backbone topology of the molecule and modifying the a-carbon asymmetry are becoming valuable tools to be considered in this pursuit. Non-natural structural constraints to the peptide backbone can be achieved by introducing peptide bond isosters such as reduced amides, partially retro or retro-inverso modifications or even including urea motifs. The second can be obtained by strategically replacing L-amino-acids with their enantiomeric forms for obtaining both structurally site-directed designed immunogens as potential vaccine candidates and their Ig structural molecular images, both having immunotherapeutic effects for preventing and controlling malaria.