Synthesis of new enzyme stabilisers inspired by compatible solutes of hyperthermophilic microorganisms

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Engineering Sciences and Technology.

Assembly and function of a protein cross-linking enzyme during bacterial spore morphogenesis

Sporulation in Bacillus subtilis culminates with the formation of a dormant endospore. The endospore (or spore) is one of the most resilient cell types known and can remain viable in the environment for extended periods of time. Contributing to the spore’s resistance and its ability to interact with and monitor its immediate environment is the coat, the outermost layer of B. subtilis spores. The coat is composed by over 70 different proteins, which are produced at different stages in sporulation and orderly assembled around the developing spore.(...)

Absorbance enhancement in microplate wells for improved-sensitivity biosensors

A generic optical biosensing strategy was developed that relies on the absorbance enhancement phenomenon occurring in a multiple scattering matrix. Experimentally, inserts made of glass fiber membrane were placed into microplate wells in order to significantly lengthen the trajectory of the incident light through the sample and therefore increase the corresponding absorbance. Enhancement factor was calculated by comparing the absorbance values measured for a given amount of dye with and without the absorbance-enhancing inserts in the wells. Moreover, the dilution of dye in solutions with different refractive indices (RI) clearly revealed that the enhancement factor increased with the ΔRI between the membrane and the surrounding medium, reaching a maximum value (EF>25) when the membranes were dried. On this basis, two H2O2-biosensing systems were developed based on the biofunctionalization of the glass fiber inserts either with cytochrome c or horseradish peroxidase (HRP) and the analytical performances were systematically compared with the corresponding bioassay in solution. The efficiency of the absorbance-enhancement approach was particularly clear in the case of the cytochrome c-based biosensor with a sensitivity gain of 40 folds and wider dynamic range. Therefore, the developed strategy represents a promising way to convert standard colorimetric bioassays into optical biosensors with improved sensitivity.

Small ubiquitin-like modifier conjugating enzyme with active site mutation acts as dominant negative inhibitor of SUMO conjugation in arabidopsis(F).

Small ubiquitin-like modifier (SUMO) conjugation affects a broad range of processes in plants, including growth, flower initiation, pathogen defense, and responses to abiotic stress. Here, we investigate in vivo and in vitro a SUMO conjugating enzyme with a Cys to Ser change in the active site, and show that it has a dominant negative effect. In planta expression significantly perturbs normal development, leading to growth retardation, early flowering and gene expression changes. We suggest that the mutant protein can serve as a probe to investigate sumoylation, also in plants for which poor genetic infrastructure precludes analysis via loss-of-function mutants.

The clinical application of converting enzyme inhibitors.

Chronic blockade of the renin angiotensin system became possible when orally active inhibitors of angiotensin converting enzyme, the enzyme which catalyzes the transformation of angiotensin I into angiotensin II, were synthetized. Two compounds, captopril and enalapril, have been investigated in clinical studies. The decrease of the pressor response to exogenous angiotensin I and of the circulating levels of angiotensin II following administration of these inhibitors has been demonstrated to be directly related to the degree of suppression of plasma angiotensin converting enzyme activity. These inhibitors have been shown to normalize blood pressure alone in some hypertensive patients whereas in many others, satisfactory blood pressure control can be achieved only after the addition of a diuretic. Captopril and enalapril also markedly improve cardiac function of patients with chronic congestive heart failure. Chronic blockade of the renin angiotensin system has therefore provided an interesting new approach to the treatment of clinical hypertension and heart failure.

The Peroxisomal Enzyme L-PBE Is Required to Prevent the Dietary Toxicity of Medium-Chain Fatty Acids.

Specific metabolic pathways are activated by different nutrients to adapt the organism to available resources. Although essential, these mechanisms are incompletely defined. Here, we report that medium-chain fatty acids contained in coconut oil, a major source of dietary fat, induce the liver ω-oxidation genes Cyp4a10 and Cyp4a14 to increase the production of dicarboxylic fatty acids. Furthermore, these activate all ω- and β-oxidation pathways through peroxisome proliferator activated receptor (PPAR) α and PPARγ, an activation loop normally kept under control by dicarboxylic fatty acid degradation by the peroxisomal enzyme L-PBE. Indeed, L-pbe(-/-) mice fed coconut oil overaccumulate dicarboxylic fatty acids, which activate all fatty acid oxidation pathways and lead to liver inflammation, fibrosis, and death. Thus, the correct homeostasis of dicarboxylic fatty acids is a means to regulate the efficient utilization of ingested medium-chain fatty acids, and its deregulation exemplifies the intricate relationship between impaired metabolism and inflammation.

The investigation of the reduction mechanism of the 5a-reductase enzyme of Penicillium decumbens /

The 5a-reductase of Penicillium decumbens ATCC 10436 was used as a model for the mammalian enzyme to investigate the mechanism of reduction of testosterone to 5adihydrotestosterone . The purpose of this study was to search for specific 5a-reductase inhibitors which antagonize prostate cancer . In a whole-cell biotransformation mode, this organism reduced testosterone (1) to 5a-dihydrosteroids (8) and 5aandrostane- 3, 17-dione (9) in yields of 28% and 37% respectively. Control experiments have shown that 5aandrostane- 3, 17-dione (9) can be produced from the corresponding alcohol (8) in a subsequent reaction separate from that catalysed by the 5a-reductase enzyme . Androst-4- ene-3, 17-dione (2) is reduced to give only (9) with a recovery of 80% The stereochemistry of the reduction was determined by 500 MHz ^H NMR analysis of the products resulting from the deuterium labelled substrates. The results were obtained by an analysis of the NOE difference spectra, double-quantum filtered phase sensitive COSY 2-D spectra, and ^^c-Ir 2-D shift correlation spectra of deuterium labelled products. According to the unambiguous assignment of the signals due to H-4a and H-4Ii in 5a-dihydro steroids, the NMR data show clearly that addition of hydrogen to the 4{5)K bond has occurred in a trans manner at positions 413 and 5a. To Study the reduction mechanism of this enzyme, several substrates were prepared as following; 3-methyleneandrost-4-en- 17fi-ol(3), androst-4-en-17i5-ol(5) , androst-4-en-3ii, 17fi-diol (6) and 4, 5ii-epoxyandrostane-3, 17-dione (7) . Results suggest that this enzyme system requires an oxygen atom at the 3-position of the steroid in order to bind the substrate. Furthermore, the mechanism of this 5a-reductase may proceed via direct addition of hydrogen at the 4,5 position without involvement of a carbonyl group as an intermediate.

Molecular cloning restriction enzyme analysis, bovine adenovirus type 2 genome

Adenoviruses are non-enveloped icosahedral-shaped particles which possess a double-stranded DNA genome. Currently, nearly 100 serotypes of adenoviruses have been identified, 48 of which are of human origin. Bovine adenoviruses (BAVs), causing both mild respiratory and/or enteral diseases in cattle, have been reported in many countries all over the world. Currently, nine serotypes of SAVs have been isolated which have been placed into two subgroups based on a number of characteristics which include complement fixation tests as well as the ability to replicate in various cell lines. Bovine adenovirus type 2 (BAV2), belonging to subgroup I, is able to cause pneumonia as well as pneumonic-like symptoms in calves. In this study, the genome of BAV2 (strain No. 19) was subcloned into the plasmid vector pUC19. In total, 16 plasmids were constructed; three carry internal San fragments (spanning 3.1 to 65.2% ), and 10 carry internal Pstl fragments (spanning 4.9 to 97.4%), of the viral genome. Each of these plasmids was analyzed using twelve restriction endonucleases; BamHI, CiaI, EcoRl, HiOOlll, Kpnl, Noll, NS(N, Ps~, Pvul, Saj, Xbal, and Xhol. Terminal end fragments were also cloned and analyzed, sUbsequent to the removal of the 5' terminal protein, in the form of 2 BamHI B fragments, cloned in opposite orientations (spanning 0 to 18.1°k), and one Pstll fragment (spanning 97.4 to 1000/0). These cloned fragments, along with two other plasmids previously constructed carrying internal EcoRI fragments (spanning 20.6 to 90.5%), were then used to construct a detailed physical restriction map using the twelve restriction endonucleases, as well as to estimate the size of the genome for BAV2(32.5 Kbp). The DNA sequences of the early region 1 (E1) and hexon-associated gene (protein IX) have also been determined. The amino acid sequences of four open reading frames (ORFs) have been compared to those of the E1 proteins and protein IX from other Ads.

The regulation of oat coleoptile phosphoenolpyruvate carboxylase and malic enzyme by Hâ ½ and metabolites : kinetic evidence for and against a cytosolic pH-stat

Phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) and malic enzyme activities in soluble protein extracts of Avena coleoptiles were investigated to determine whether their kinetics were consistent with a role in cytosol pH regulation. Malic enzyme activity was specific for NADP+ and Mn2+. Maximal labelled product formation from [14C]-substrates required the presence of all coenzymes, cofactors and substrates. Plots of rate versus malate concentration, and linear transformations there- 2 of, indicated typical Michaelis-Menten kinetics at non-saturating malate levels and substrate inhibition at higher malate levels. pH increases between 6.5 and 7.25 increased near-optimal activity, decreased the degree of substrate inhibition and the Kmapp(Mn2+) but did not affect the Vmax or Kmapp(malate). Transformed data of PEPC activity demonstrated non-linear plots indicative of non-Michaelian kinetics. pH increases between 7.0 and 7.6 increased the Vmax and decreased the Km app (Mg2+) but did not affect the Kmapp(PEP). Various carboxylic acids and phosphorylated sugars inhibited PEPC and malic enzyme activities, and these effects decreased with pH increases. Metabolite inhibited malic enzyme activity was non-competitive and resulted mainly from Mn2+ chelation. In contrast, metabolite inhibited PEPC activity was unique for each compound tested, being variously dependent on the PEP concentration and the pH employed. These results indicate that fluctuations in pH and metabolite levels affect PEPC and malic enzyme activities similarly and that 3 the in vitro properties of PEPC are consistent with its proposed role in a pH-stat, whereas the in vitro properties of the malic enzyme cannot be interpreted in terms of a role in pH regulation.

The role of GAPDH in maintaining the functional state of the DNA repair enzyme APE1

Les sites apuriniques/apyrimidiniques (AP) sont des sites de l’ADN hautement mutagène. Les dommages au niveau de ces sites peuvent survenir spontanément ou être induits par une variété d’agents. Chez l’humain, les sites AP sont réparés principalement par APE1, une enzyme de réparation de l’ADN qui fait partie de la voie de réparation par excision de base (BER). APE1 est une enzyme multifonctionnelle; c’est une AP endonucléase, 3’-diestérase et un facteur redox impliqué dans l’activation des facteurs de transcription. Récemment, il a été démontré qu’APE1 interagit avec l’enzyme glycolytique GAPDH. Cette interaction induit l’activation d’APE1 par réduction. En outre, la délétion du gène GAPDH sensibilise les cellules aux agents endommageant l’ADN, induit une augmentation de formation spontanée des sites AP et réduit la prolifération cellulaire. A partir de toutes ces données, il était donc intéressant d’étudier l’effet de la délétion de GAPDH sur la progression du cycle cellulaire, sur la distribution cellulaire d’APE1 et d’identifier la cystéine(s) d’APE1 cible(s) de la réduction par GAPDH. Nos travaux de recherche ont montré que la déficience en GAPDH cause un arrêt du cycle cellulaire en phase G1. Cet arrêt est probablement dû à l’accumulation des dommages engendrant un retard au cours duquel la cellule pourra réparer son ADN. De plus, nous avons observé des foci nucléaires dans les cellules déficientes en GAPDH qui peuvent représenter des agrégats d’APE1 sous sa forme oxydée ou bien des focis de la protéine inactive au niveau des lésions d’ADN. Nous avons utilisé la mutagénèse dirigée pour créer des mutants (Cys en Ala) des sept cystéines d’APE1 qui ont été cloné dans un vecteur d’expression dans les cellules de mammifères. Nous émettons l’hypothèse qu’au moins un mutant ou plus va être résistant à l’inactivation par oxydation puisque l’alanine ne peut pas s’engager dans la formation des ponts disulfures. Par conséquent, on anticipe que l’expression de ce mutant dans les cellules déficientes en GAPDH pourrait restaurer une distribution cellulaire normale de APE1, libérerait les cellules de l’arrêt en phase G1 et diminuerait la sensibilité aux agents endommageant l’ADN. En conclusion, il semble que GAPDH, en préservant l’activité d’APE1, joue un nouveau rôle pour maintenir l’intégrité génomique des cellules aussi bien dans les conditions normales qu’en réponse au stress oxydatif.

Développement d’un microréacteur à base d’enzyme microencapsulée en vue d’un couplage en ligne à un système d’électrophorèse capillaire

Réalisé en codirection avec Karen C. Waldron et Dominic Rochefort.

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

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

Développement de papier bioactif par couchage à grande échelle d’enzymes immobilisées par microencapsulation

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG.

Characterization of the AP endonuclease enzyme APN-1 from C. elegans

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.