A study of chymotrypsin immobilization conditions for improved peptide mapping

La cartographie peptidique est une technique de grande importance utilisée lors de l’identification des protéines et la caractérisation des modifications post-traductionnelles des protéines. Deux méthodes sont utilisées afin de couper les protéines en peptides pour la cartographie : les méthodes chimiques et les méthodes enzymatiques. Dans ce projet, l’enzyme chymotrypsine a été utilisée pour l’hydrolyse (la digestion) des liens peptidiques. Cependant, l’autoprotéolyse des enzymes peut augmenter la complexité des échantillons, rendant ainsi ardue l’obtention de pics résolus suite à l’apparition de pics non-désirés dans la carte peptidique. Par conséquent, nous avons utilisé la réticulation des enzymes protéolytiques par réaction avec le glutaraldéhyde (GA) donnant une enzyme insoluble afin de réduire l’autoprotéolyse. L’immobilisation de la chymotrypsine par GA a été effectuée selon une méthode rapportée précédemment par le groupe Waldron. L’électrophorèse capillaire (CE) couplée à l’absorption UV-visible a été utilisée pour la séparation et la détection de peptides et pour obtenir ainsi une cartographie peptidique. Deux tampons différents ont été évalués afin d’obtenir les meilleures conditions pour la digestion de substrats protéiques par la chymotrypsine libre (soluble) ou la GAchymotrypsine et l’analyse par CE. Les cartes des peptides autoprotéolytiques ont été comparées entre les deux formats de chymotrypsine. Afin d’améliorer la cartographie peptidique, nous avons évalué trois méthodes de conditionnement du capillaire CE et deux méthodes pour stopper la digestion. Le bicarbonate d’ammonium s’est avéré être le tampon optimal pour la digestion en solution et l’utilisation d’un bain d’acétone et de glace sèche s’est avérée être la méthode optimale pour stopper la digestion. Une solution de SDS, 25 mM, dans l’étape de rinçage a été utilisée après chaque analyse CE et a permis d’améliorer la résolution des cartes peptidiques. La comparaison entre l’autoprotéolyse de la chymotrypsine libre et de celle immobilisé par GA a été effectuée par des tests utilisant une gamme de six différentes combinaisons de conditions afin d’évaluer le temps (30 et 240 min) et la température de digestion (4, 24 et 37°C). Dans ces conditions, nos résultats ont confirmé que le GA-chymotrypsine réduit l’autoprotéolyse par rapport à l’enzyme libre. La digestion (à 37°C/240 min) de deux substrats modèles par la chymotrypsine libre et immobilisée en fonction de la température de dénaturation du substrat a été étudiée. iii Avant la digestion, les substrats (l’albumine de sérum bovine, BSA, et la myoglobine) ont été dénaturés par chauffage pendant 45 min à trois températures différentes (60, 75 et 90°C). Les résultats ont démontré que la dénaturation par chauffage du BSA et de la myoglobine n’a pas amélioré la cartographie peptidique pour la GA-chymotrypsine, tandis que la digestion de ceux-ci en présence de la chymotrypsine libre a amélioré de façon quantifiable à des températures élevées. Ainsi, le chauffage du substrat à 90°C avec l’enzyme soluble facilite le dépliement partiel du substrat et sa digestion limitée, ce qui a été mieux pour la myoglobine que pour la BSA.

Synthesis of polyelectrolyte brushes on silica-based substrates through surface-initiated polymerization : brush characterization and responsiveness to variation in pH and ionic strength

Les brosses de polyélectrolytes font l’objet d’une attention particulière pour de nombreuses applications car elles présentent la capacité de changer de conformation et, par conséquent, de propriétés de surface en réponse aux conditions environnementales appliquées. Le contrôle des principaux paramètres de ces brosses telles que l'épaisseur, la composition et l'architecture macromoléculaire, est essentiel pour obtenir des polymères greffés bien définis. Ceci est possible avec la Polymérisation Radicalaire par Transfert d’Atomes - Initiée à partir de la Surface (PRTA-IS), qui permet la synthèse de brosses polymériques de manière contrôlée à partir d’une couche d'amorceurs immobilisés de manière covalente sur une surface. Le premier exemple d’une synthèse directe de brosses de poly(acide acrylique) (PAA) par polymérisation radicalaire dans l’eau a été démontré. Par greffage d’un marqueur fluorescent aux brosses de PAA et via l’utilisation de la microscopie de fluorescence par réflexion totale interne, le dégreffage du PAA en temps réel a pu être investigué. Des conditions environnementales de pH ≥ 9,5 en présence de sel, se sont avérées critiques pour la stabilité de la liaison substrat-amorceur, conduisant au dégreffage du polymère. Afin de protéger de l’hydrolyse cette liaison substrat-amorceur sensible et prévenir le dégreffage non souhaité du polymère, un espaceur hydrophobique de polystyrène (PS) a été inséré entre l'amorceur et le bloc de PAA stimuli-répondant. Les brosses de PS-PAA obtenues étaient stables pour des conditions extrêmes de pH et de force ionique. La réponse de ces brosses de copolymère bloc a été étudiée in situ par ellipsométrie, et le changement réversible de conformation collapsée à étirée, induit par les variations de pH a été démontré. De plus, des différences de conformation provenant des interactions du bloc de PAA avec des ions métalliques de valence variable ont été obtenues. Le copolymère bloc étudié semble donc prometteur pour la conception de matériaux répondant rapidement a divers stimuli. Par la suite, il a été démontré qu’un acide phosphonique pouvait être employé en tant qu’ amorceur PRTA-IS comme alternative aux organosilanes. Cet amorceur phosphonate a été greffé pour la première fois avec succès sur des substrats de silice et une PRTA-IS en milieux aqueux a permis la synthèse de brosses de PAA et de poly(sulfopropyl méthacrylate). La résistance accrue à l’hydrolyse de la liaison Sisubstrat-O- Pamorceur a été confirmée pour une large gamme de pH 7,5 à 10,5 et a permis l’étude des propriétés de friction des brosses de PAA sous différentes conditions expérimentales par mesure de forces de surface. Malgré la stabilité des brosses de PAA à haute charge appliquée, les études des propriétés de friction ne révèlent pas de changement significatif du coefficient de friction en fonction du pH et de la force ionique.

Destins des S-RNases et interactions moléculaires dans le tube pollinique dans le cadre de l’auto-incompatibilité gamétophytique chez Solanum chacoense

L’auto-incompatibilité (AI) est une barrière reproductive prézygotique qui permet aux pistils d’une fleur de rejeter leur propre pollen. Les systèmes d’AI peuvent prévenir l’autofertilisation et ainsi limiter l’inbreeding. Dans l’AI gamétophytique, le génotype du pollen détermine son propre phénotype d’incompatibilité, et dans ce système, les déterminants mâles et femelles de l’AI sont codés par un locus multigénique et multi-allélique désigné le locus S. Chez les Solanaceae, le déterminant femelle de l’AI est une glycoprotéine stylaire extracellulaire fortement polymorphique possédant une activité ribonucléase et désignée S-RNase. Les S-RNases montrent un patron caractéristique de deux régions hypervariables (HVa et HVb), responsables de leur détermination allélique, et cinq régions hautement conservées (C1 à C5) impliquées dans l’activité catalytique ou la stabilisation structurelle de ces protéines. Dans ce travail, nous avons investigué plusieurs caractéristiques des S-RNases et identifié un nouveau ligand potentiel aux S-RNases chez Solanum chacoense. L’objectif de notre première étude était l’élucidation du rôle de la région C4 des S-RNases. Afin de tester l’hypothèse selon laquelle la région C4 serait impliquée dans le repliement ou la stabilité des S-RNases, nous avons généré un mutant dans lequel les quatre résidus chargés présents en région C4 furent remplacés par des résidus glycine. Cette protéine mutante ne s’accumulant pas à des niveaux détectables, la région C4 semble bien avoir un rôle structurel. Afin de vérifier si C4 est impliquée dans une liaison avec une autre protéine, nous avons généré le mutant R115G, dans lequel un acide aminé chargé fût éliminé afin de réduire les affinités de liaison dans cette région. Ce mutant n’affectant pas le phénotype de rejet pollinique, il est peu probable que la région C4 soit impliquée dans la liaison des S-RNases avec un ligand ou leur pénétration à l’intérieur des tubes polliniques. Enfin, le mutant K113R, dans lequel le seul résidu lysine conservé parmi toutes les S-RNases fût remplacé par un résidu arginine, fût généré afin de vérifier si cette lysine était un site potentiel d’ubiquitination des S-RNases. Toutefois, la dégradation des S-RNases ne fût pas inhibée. Ces résultats indiquent que C4 joue probablement un rôle structurel de stabilisation des S-RNases. Dans une seconde étude, nous avons analysé le rôle de la glycosylation des S-RNases, dont un site, en région C2, est conservé parmi toutes les S-RNases. Afin d’évaluer la possibilité que les sucres conjugués constituent une cible potentielle d’ubiquitination, nous avons généré une S11-RNase dont l‘unique site de glycosylation en C2 fût éliminé. Ce mutant se comporte de manière semblable à une S11-RNase de type sauvage, démontrant que l’absence de glycosylation ne confère pas un phénotype de rejet constitutif du pollen. Afin de déterminer si l’introduction d’un sucre dans la région HVa de la S11-RNase pourrait affecter le rejet pollinique, nous avons généré un second mutant comportant un site additionnel de glycosylation dans la région HVa et une troisième construction qui comporte elle aussi ce nouveau site mais dont le site en région C2 fût éliminé. Le mutant comportant deux sites de glycosylation se comporte de manière semblable à une S11-RNase de type sauvage mais, de manière surprenante, le mutant uniquement glycosylé en région HVa peut aussi rejeter le pollen d’haplotype S13. Nous proposons que la forme non glycosylée de ce mutant constitue un allèle à double spécificité, semblable à un autre allèle à double spécificité préalablement décrit. Il est intéressant de noter que puisque ce phénotype n’est pas observé dans le mutant comportant deux sites de glycosylation, cela suggère que les S-RNases ne sont pas déglycosylées à l’intérieur du pollen. Dans la dernière étude, nous avons réalisé plusieurs expériences d’interactions protéine-protéine afin d’identifier de potentiels interactants polliniques avec les S-RNases. Nous avons démontré que eEF1A, un composant de la machinerie de traduction chez les eucaryotes, peut lier une S11-RNase immobilisée sur résine concanavaline A. Des analyses de type pull-down utilisant la protéine eEF1A de S. chacoense étiquetée avec GST confirment cette interaction. Nous avons aussi montré que la liaison, préalablement constatée, entre eEF1A et l’actine est stimulée en présence de la S11-RNase, bien que cette dernière ne puisse directement lier l’actine. Enfin, nous avons constaté que dans les tubes polliniques incompatibles, l’actine adopte une structure agrégée qui co-localise avec les S-RNases. Ces résultats suggèrent que la liaison entre eEF1A et les S-RNases pourrait constituer un potentiel lien fonctionnel entre les S-RNases et l’altération du cytosquelette d’actine observée lors des réactions d’AI. Par ailleurs, si cette liaison est en mesure de titrer les S-RNases disponibles à l’intérieur du tube pollinique, ce mécanisme pourrait expliquer pourquoi des quantités minimales ou « seuils » de S-RNases sont nécessaires au déclenchement des réactions d’AI.

Rôle de protéines épididymaires humaines et murines dans les fonctions spermatiques

L’infertilité affecte jusqu’à 15-20% des couples en âge de se reproduire. C’est pourquoi, mieux comprendre les mécanismes à la base de la fécondation est essentiel pour l’identification de nouvelles causes d’infertilité et l’optimisation des techniques de reproduction assistée. La capacitation est une étape de la maturation des spermatozoïdes qui se déroule dans le tractus génital femelle. Elle est requise pour la fécondation d’un ovocyte. Notre laboratoire a démontré que des protéines du plasma séminal bovin, appelées protéines Binder of SPerm (BSP), se lient aux phospholipides portant des groupements choline à la surface de la membrane des spermatozoïdes lors de l’éjaculation et promeuvent la capacitation. Ces protéines exprimées par les vésicules séminales sont ubiquitaires chez les mammifères et ont été étudiées chez plusieurs espèces dont l’étalon, le porc, le bouc et le bélier. Récemment, l’expression de gènes homologues aux BSP a été découverte dans les épididymes d’humains (BSPH1) et de souris (Bsph1 et Bsph2). Notre hypothèse est que les BSP chez ces deux espèces sont ajoutées aux spermatozoïdes lors de la maturation épididymaire et ont des rôles dans les fonctions spermatiques, similaires à ceux des protéines BSP bovines. Les protéines BSP humaines et murines représentent une faible fraction des protéines totales du plasma séminal. Pour cette raison, afin d’étudier leurs caractéristiques biochimiques et fonctionnelles, des protéines recombinantes ont été produites. Les protéines recombinantes ont été exprimées dans des cellules Escherichia coli origami B(DE3)pLysS en utilisant un vecteur d’expression pET32a. Suivant la lyse cellulaire, les protéines ont été dénaturées avec de l’urée et purifiées par chromatographie d’affinité sur ions métalliques immobilisés. Une fois liées à la colonne, les protéines ont été repliées à l’aide d’un gradient d’urée décroissant avant d’être éluées. Cette méthode a mené à la production de trois protéines recombinantes (rec-BSPH1 humaine, rec-BSPH1 murine et rec-BSPH2 murine) pures et fonctionnelles. Des expériences de chromatographie d’affinité et de co-sédimentation nous ont permis de démontrer que les trois protéines peuvent se lier à des ligands connus des protéines BSP comme la gélatine et l’héparine en plus de pouvoir se lier aux spermatozoïdes. Nos études ont également révélées que les deux protéines rec-BSPH1 peuvent se lier aux liposomes de phosphatidylcholine (PC) et sont capable de promouvoir la capacitation des spermatozoïdes. À l’opposé, rec-BSPH2 ne peut ni se lier aux liposomes de PC, ni stimuler la capacitation. Finalement, les protéines recombinantes n’ont aucun effet sur la réaction acrosomique ou sur la motilité des spermatozoïdes. Chez les bovins, les protéines BSP induisent la capacitation grâce des interactions avec les lipoprotéines de haute densité (HDL) et les glycosaminoglycanes. Puisque le HDL est également un joueur important de la capacitation chez la souris, le rôle de la protéine native BSPH1 murine au niveau de la capacitation induite par le HDL a été étudié. Les résultats obtenus suggèrent que, in vivo, la protéine BSPH1 de souris serait impliquée dans la capacitation via une interaction directe avec le HDL. Comme les protéines BSPH1 humaines et murines sont orthologues, ces résultats pourraient aussi s’appliquer à la fertilité humaine. Les résultats présentés dans cette thèse pourraient mener à une meilleure compréhension de la fertilité masculine et aider à améliorer les techniques de reproduction assistée. Ils pourraient également mener au développement de nouveaux tests diagnostiques ou de contraceptifs masculins.

A sensitive fibre optic pH sensor using multiple sol–gel coatings

The fabrication and characterization of a fibre optic pH sensor based on evanescent wave absorption is presented. The unclad portion of a multi-mode optical fibre is coated with a pH sensitive dye, which is immobilized by the sol–gel route. The sensitivity of the device has been found to increase when multiple sol–gel coatings are used as the sensing region. The dynamic range and the temporal response of the sensor are investigated for two different dyes, namely bromocresol purple and bromocresol green. The performance of the device is evaluated in terms of the results obtained during actual measurements.

A sensitive fibre optic pH sensor using multiple sol–gel coatings

The fabrication and characterization of a fibre optic pH sensor based on evanescent wave absorption is presented. The unclad portion of a multi-mode optical fibre is coated with a pH sensitive dye, which is immobilized by the sol–gel route. The sensitivity of the device has been found to increase when multiple sol–gel coatings are used as the sensing region. The dynamic range and the temporal response of the sensor are investigated for two different dyes, namely bromocresol purple and bromocresol green. The performance of the device is evaluated in terms of the results obtained during actual measurements

A sensitive fibre optic pH sensor using multiple sol–gel coatings

The fabrication and characterization of a fibre optic pH sensor based on evanescent wave absorption is presented. The unclad portion of a multi-mode optical fibre is coated with a pH sensitive dye, which is immobilized by the sol–gel route. The sensitivity of the device has been found to increase when multiple sol–gel coatings are used as the sensing region. The dynamic range and the temporal response of the sensor are investigated for two different dyes, namely bromocresol purple and bromocresol green. The performance of the device is evaluated in terms of the results obtained during actual measurements

Acid activated montmorillonite: an efficient immobilization support for improving reusability, storage stability and operational stability of enzymes

Three enzymes, α-amylase, glucoamylase and invertase, were immobilized on acid activated montmorillonite K 10 via two independent techniques, adsorption and covalent binding. The immobilized enzymes were characterized by XRD, N2 adsorption measurements and 27Al MAS-NMR spectroscopy. The XRD patterns showed that all enzymes were intercalated into the clay inter-layer space. The entire protein backbone was situated at the periphery of the clay matrix. Intercalation occurred through the side chains of the amino acid residues. A decrease in surface area and pore volume upon immobilization supported this observation. The extent of intercalation was greater for the covalently bound systems. NMR data showed that tetrahedral Al species were involved during enzyme adsorption whereas octahedral Al was involved during covalent binding. The immobilized enzymes demonstrated enhanced storage stability. While the free enzymes lost all activity within a period of 10 days, the immobilized forms retained appreciable activity even after 30 days of storage. Reusability also improved upon immobilization. Here again, covalently bound enzymes exhibited better characteristics than their adsorbed counterparts. The immobilized enzymes could be successfully used continuously in the packed bed reactor for about 96 hours without much loss in activity. Immobilized glucoamylase demonstrated the best results.

A sensitive fibre optic pH sensor using multiple sol-gel coatings

The fabrication and characterization of a fibre optic pH sensor based on evanescent wave absorption is presented. The unclad portion of a multi-mode optical fibre is coated with a pH sensitive dye, which is immobilized by the sol–gel route. The sensitivity of the device has been found to increase when multiple sol–gel coatings are used as the sensing region. The dynamic range and the temporal response of the sensor are investigated for two different dyes, namely bromocresol purple and bromocresol green. The performance of the device is evaluated in terms of the results obtained during actual measurements.

A study on the Immobilizaton of Enzymes on Polymeric Supports

This work was focused to study the immobilization of enzymes on polymers. A large range of polymer matrices have been employed as supports for enzyme immobilization. Here polyaniline (PAN!) and poly(0~toluidine) (POT) were used as supports. PANI and POT provides an excellent support for enzyme immobilization by virtue of its facile synthesis, superior chemical and physical stabilities, and large retention capacity. We selected industrially important starch hydrolyzing enzymes a-amylase and glucoamylase for the study. In this work the selected enzymes were immobilized via adsorption and covalent bonding methods.To optimize the catalytic efficiency and stability of the resulting biocatalysts, the attempt was made to understand the immobilization effects on enzymatic properties. The effect of pH of the immobilization medium, time of immobilization on the immobilization efficiency was observed. The starch hydrolyzing activity of free 0:-amylase and glucoamylase were compared with immobilized forms. Immobilization on solid supports changes the microenvironment of the enzyme there by influences the pH and temperature relationship on the enzymatic activity. Hence these parameters also optimized. The reusability and storage stability of immobilized enzymes an important aspect from an application standpoint, especially in industrial applications. Taking in to consideration of this, the reusability and the long tenn storage stability of the immobilized enzyme investigated.

Characterization of laccase from Streptomyces psammoticus: an enzyme for eco-friendly treatment of environmental pollutants

The present study has identified an actinomycete culture (S. psammoticus) which was capable of producing all the three major ligninolytic enzymes. The study revealed that least explored mangrove regions are potential sources for the isolation of actinomycetes with novel characteristics. The laccase production by the strain in SmF and SSF was found to be much higher than the reported values. The growth of the organism was favoured by alkaline pH and salinity of the medium. The enzyme also exhibited novel characteristics such as activity and stability at alkaline pH and salt tolerance. These two characters are quite significant from the industrial point of view making the enzyme an ideal candidate for industrial applications. Many of the application studies to date are focused on enzymes from fungal sources. However, the fungal laccases, which are mostly acidic in nature, could not be used universally for all application purposes especially, for the treatment of effluents from different industries, largely due to the alkaline nature of the effluents. Under such situations the enzymes from organisms like S. psammoticus with wide pH range could play a better role than the fungal counterparts. In the present study, the ability of the isolated strain and laccase in the degradation of dyes and phenolic compounds was successfully proved. The reusability of the immobilized enzyme system made the entire treatment process inexpensive. Thus it can be concluded from the present study that the laccase from this organism could be hopefully employed for the eco-friendly treatment of dye or phenol containing industrial effluents from various sources.

Studies on isolation, purification and properties of Endoglucanase from the hepatopancreas of Perna viridis

In the attempt to find out catalytic potency and properties of the endoglucanase of green mussel, it could be highlighted that the enzyme is efficient in degrading carboxymethylcellulose to reducing sugars. The immobilized enzyme will find applications in the food industry, paper and pulp industry, wood preservation, alcohol and pharmaceutical industry.The purification method employed i.e. Sephadex G100 chromatography employing affinity and exclusion principles simplify the purification procedure.Addition of Mg2+ and Co2+ at 10mM concentrations enhances endoglucanase activity of green mussel.The immobilized endoglucanase can be used for deinking mixed office waste paper. The endoglucanase if supplemented with exoglucanase and B-glucosidase under appropriate conditions would help in the recycling of paper.

Development of nitrifying and photosynthetic sulfur bacteria based bioaugmentation systems for the bioremediation of ammonia and hydrogen sulphide in shrimp culture

This thesis entitled Development of nitrifying ans photosynthetic sulfur bacteria based bioaugmentation systems for the bioremediation of ammonia and hydregen sulphide in shrimp culture. the thesis is to propose a sustainable, low cost option for the mitigation of toxic ammonia and hydrogen sulphide in shrimp culture systems. Use of ‘bioaugmentors’ as pond additives is an emerging field in aquaculture. Understanding the role of organisms involved in the ‘bioaugmentor’ will obviously help to optimize conditions for their activity.The thesis describes the use of wood powder immobilization of nitrifying consortia.Shrimp grow out systems are specialized and highly dynamic aquaculture production units which when operated under zero exchange mode require bioremediation of ammonia, nitrite nitrogen and hydrogen sulphide to protect the crop. The research conducted here is to develop an economically viable and user friendly technology for addressing the above problem. The nitrifying bacterial consortia (NBC) generated earlier (Achuthan et al., 2006) were used for developing the technology.Clear demonstration of better quality of immobilized nitrifiers generated in this study for field application.

Studies on immobilization of Bacteria

Cell immnhilizatinn technology in a rapidly expanding arna in the endeavour of microbial fnrmentatiwn.During the lnmt 15 years anveral prnceafinn have been developed and more are in developmental atage of approaching commercial utilizatinn.In the present programme it was planned to develop an optimized process for the innobilization of alpha amylase producing Bacillus polymyxa (CBTB 25) an isolate obtained from Cochin University campus primarily for the production of alpha-amylase.Optimal concentration of support material that attributaa stability and maximal activity to the immobilized cell beads was determined using different concentrations of sodium aliginate as support and estimation of amylase production.An overeall assessment of the data obtained for the various studies conducted denotes that immobilized cells synthesize alpha-amylase at comparable rates with free cells and produce reducing sugara at a higher level than free cells.Results indicated that both phosphate and citrate buffers could be used for disrupting the immobilized beads since they enforced maximal release of cells through leaching from the beads within one hour.On comparative analysis it was observed that immobilized cells could synthesize alpha amylase at similar levels with free cells of B.polymyxa.On Co-immobilization of B.Polymyxa with S.cerevisiae,the co-immobilizate beads could effeciently convert starch directly to ethanol with a yield of 14.8% at 1 : 2 ratio.

Lipase Production by Candida rugosa

Strain improvement is one of the major objectives for maximizing the microbial production of industrially significant primary and secondary metabolites. This goal can be achieved by judicious tuning of the organisms by monitoring its growth parameters and optimizing adequate supply of micro and macro nutrients, inducers, pH, temperature and other factors which control fermentation. Though C. rugosa has been under extensive studies for lipases, maximum world production is only 36 units. In fact, in India, enhanced production conditions for lipases have not yet been initiated. C. rugosa has been cultivated in diverse environments like liquid, semi-solid, solid—state and immobilized conditions, though major emphasis is on SmF or suspension culture. Hence the present investigations mainly focused on increasing the yield by adjusting the physico-chemical growth parameters and to characterize the lipase isoforms secreted by C. rugosa in the culture medium. Maximum possible improved methods were investigated to achieve these objectives. Within this under-optimised background, enhancement of lipase production and its characterization were investigated, employing modified liquid, semi-solid, solid—state and immobilized fermentation strategies