The effect of acidic residues and amphipathicity on the lytic activities of mastoparan peptides studied by fluorescence and CD spectroscopy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A biomimetic model membrane system on oxidic surfaces designed for the investigation of cytochrome c oxidase and other membrane proteins by fluorescence and waveguide spectroscopy

Die transmembrane Potenzialdifferenz Δφm ist direkt mit der katalytischen Aktivität der Cytochrom c Oxidase (CcO) verknüpft. Die CcO ist das terminale Enzym (Komplex IV) in der Atmungskette der Mitochondrien. Das Enzym katalysiert die Reduktion von O2 zu 2 H2O. Dabei werden Elektronen vom natürlichen Substrat Cytochrom c zur CcO übertragen. Der Eleltronentransfer innerhalb der CcO ist an die Protonentranslokation über die Membran gekoppelt. Folglich bildet sich über der inneren Membrane der Mitochondrien eine Differenz in der Protonenkonzentration. Zusätzlich wird eine Potenzialdifferenz Δφm generiert.rnrnDas Transmembranpotenzial Δφm kann mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie unter Einsatz eines potenzialemfindlichen Farbstoffs gemessen werden. Um quantitative Aussagen aus solchen Untersuchungen ableiten zu können, müssen zuvor Kalibrierungsmessungen am Membransystem durchgeführt werden.rnrnIn dieser Arbeit werden Kalibrierungsmessungen von Δφm in einer Modellmembrane mit inkorporiertem CcO vorgestellt. Dazu wurde ein biomimetisches Membransystem, die Proteinverankerte Doppelschicht (protein-tethered Bilayer Lipid Membrane, ptBLM), auf einem transparenten, leitfähigem Substrat (Indiumzinnoxid, ITO) entwickelt. ITO ermöglicht den simultanen Einsatz von elektrochemischen und Fluoreszenz- oder optischen wellenleiterspektroskopischen Methoden. Das Δφm in der ptBLM wurde durch extern angelegte, definierte elektrische Spannungen induziert. rnrnEine dünne Hydrogelschicht wurde als "soft cushion" für die ptBLM auf ITO eingesetzt. Das Polymernetzwerk enthält die NTA Funktionsgruppen zur orientierten Immobilisierung der CcO auf der Oberfläche der Hydrogels mit Hilfe der Ni-NTA Technik. Die ptBLM wurde nach der Immobilisierung der CcO mittels in-situ Dialyse gebildet. Elektrochemische Impedanzmessungen zeigten einen hohen elektrischen Widerstand (≈ 1 MΩ) der ptBLM. Optische Wellenleiterspektren (SPR / OWS) zeigten eine erhöhte Anisotropie des Systems nach der Bildung der Doppellipidschicht. Cyklovoltammetriemessungen von reduziertem Cytochrom c bestätigten die Aktivität der CcO in der Hydrogel-gestützten ptBLM. Das Membranpotenzial in der Hydrogel-gestützten ptBLM, induziert durch definierte elektrische Spannungen, wurde mit Hilfe der ratiometrischen Fluoreszenzspektroskopie gemessen. Referenzmessungen mit einer einfach verankerten Dopplellipidschicht (tBLM) lieferten einen Umrechnungsfaktor zwischen dem ratiometrischen Parameter Rn und dem Membranpotenzial (0,05 / 100 mV). Die Nachweisgrenze für das Membranpotenzial in einer Hydrogel-gestützten ptBLM lag bei ≈ 80 mV. Diese Daten dienen als gute Grundlage für künftige Untersuchungen des selbstgenerierten Δφm der CcO in einer ptBLM.

In Vivo Characterization of Myocardial Tissue Post Myocardial Infarction Using Combined Fluorescence and Diffuse Reflectance Spectroscopy

Accurately assessing the extent of myocardial tissue injury induced by Myocardial infarction (MI) is critical to the planning and optimization of MI patient management. With this in mind, this study investigated the feasibility of using combined fluorescence and diffuse reflectance spectroscopy to characterize a myocardial infarct at the different stages of its development. An animal study was conducted using twenty male Sprague-Dawley rats with MI. In vivo fluorescence spectra at 337 nm excitation and diffuse reflectance between 400 nm and 900 nm were measured from the heart using a portable fiber-optic spectroscopic system. Spectral acquisition was performed on - (1) the normal heart region; (2) the region immediately surrounding the infarct; and (3) the infarcted region - one, two, three and four weeks into MI development. The spectral data were divided into six subgroups according to the histopathological features associated with various degrees / severities of myocardial tissue injury as well as various stages of myocardial tissue remodeling, post infarction. Various data processing and analysis techniques were employed to recognize the representative spectral features corresponding to various histopathological features associated with myocardial infarction. The identified spectral features were utilized in discriminant analysis to further evaluate their effectiveness in classifying tissue injuries induced by MI. In this study, it was observed that MI induced significant alterations (p < 0.05) in the diffuse reflectance spectra, especially between 450 nm and 600 nm, from myocardial tissue within the infarcted and surrounding regions. In addition, MI induced a significant elevation in fluorescence intensities at 400 and 460 nm from the myocardial tissue from the same regions. The extent of these spectral alterations was related to the duration of the infarction. Using the spectral features identified, an effective tissue injury classification algorithm was developed which produced a satisfactory overall classification result (87.8%). The findings of this research support the concept that optical spectroscopy represents a useful tool to non-invasively determine the in vivo pathophysiological features of a myocardial infarct and its surrounding tissue, thereby providing valuable real-time feedback to surgeons during various surgical interventions for MI.

Evaluation of portable Raman spectroscopy and handheld X-ray fluorescence analysis (hXRF) for the direct analysis of glyptics

In archaeometry, the advantages of a combined use of Raman spectroscopy and X-ray fluorescence spectroscopy are extensively discussed for applications such as the analysis of paintings, manuscripts, pottery, etc. Here, we demonstrate for the first time the advantage of using both techniques for analysing glyptics. These engraved gemstones or glass materials were originally used as stamps, to identify the owner, for instance on letters, but also on wine vessels. For this research, a set of 64 glyptics (42 Roman glass specimens and 22 modern ones), belonging to the collection of the museum ‘Quinta das Cruzes’ in Funchal (Madeira, Portugal), was analysed with portable Raman spectroscopy and handheld X-ray fluorescence (hXRF). These techniques were also used to confirm the gemological identification of these precious objects and can give extra information about the glass composition. Raman spectroscopy identifies the molecular composition as well as on the crystalline phases present. On the other hand, hXRF results show that the antique Roman glass samples are characterised with low Pb and Sn levels and that the modern specimens can be discriminated in two groups: lead-based and non-lead-based ones.

Determination of post-mortem interval using in situ tissue optical fluorescence

In this study we have used fluorescence spectroscopy to determine the post-mortem interval. Conventional methods in forensic medicine involve tissue or body fluids sampling and laboratory tests, which are often time demanding and may depend on expensive analysis. The presented method consists in using time-dependent variations on the fluorescence spectrum and its correlation with the time elapsed after regular metabolic activity cessation. This new approach addresses unmet needs for post-mortem interval determination in forensic medicine, by providing rapid and in situ measurements that shows improved time resolution relative to existing methods. (C) 2009 Optical Society of America

Application of Fluorescence to the Study of Crude Petroleum

Crude petroleum oils are complex mixtures of different compounds (mainly organic), which are obtained from an extensive range of different geological sources. The fluorescence of crude petroleum oils derives largely from the aromatic hydrocarbon fraction, and this fluorescence emission is strongly influenced by the chemical composition (e.g., fluorophore and quencher concentrations) and physical characteristics (e.g., viscosity and optical density) of the oil. The fluorescence spectroscopy (FS) is increasingly used in petroleum technology due the availability of better optical detection techniques, because FS offers high sensitivity, good diagnostic potential, and relatively simple instrumentation. In this work we analyzed crude petroleum at different dilution in Nujol, a transparent mineral oil. The main objective of this work was to verify the possibility to measure crude oil emission spectroscopic without use of volatile solvents. The mixtures of nujol with different -crude oil concentrations were measured with a 10 mm optical path cuvette thus simplifying the fluorescence spectroscopy signal detection. The emission spectra were obtained by exciting the samples with a 400 W Xenon lamp at 350 nm, 450 nm and 532 nm. The emissions of the samples were collected perpendicularly with the excitation axis.

Fluorescence in nanostructured fulleride films

Applied Physics Letters, 89

Self-Organising Maps and Correlation Analysis as a Tool to Explore Patterns in Excitation-Emission Matrix Data Sets and to Discriminate Dissolved Organic Matter Fluorescence Components

Dissolved organic matter (DOM) is a complex mixture of organic compounds, ubiquitous in marine and freshwater systems. Fluorescence spectroscopy, by means of Excitation-Emission Matrices (EEM), has become an indispensable tool to study DOM sources, transport and fate in aquatic ecosystems. However the statistical treatment of large and heterogeneous EEM data sets still represents an important challenge for biogeochemists. Recently, Self-Organising Maps (SOM) has been proposed as a tool to explore patterns in large EEM data sets. SOM is a pattern recognition method which clusterizes and reduces the dimensionality of input EEMs without relying on any assumption about the data structure. In this paper, we show how SOM, coupled with a correlation analysis of the component planes, can be used both to explore patterns among samples, as well as to identify individual fluorescence components. We analysed a large and heterogeneous EEM data set, including samples from a river catchment collected under a range of hydrological conditions, along a 60-km downstream gradient, and under the influence of different degrees of anthropogenic impact. According to our results, chemical industry effluents appeared to have unique and distinctive spectral characteristics. On the other hand, river samples collected under flash flood conditions showed homogeneous EEM shapes. The correlation analysis of the component planes suggested the presence of four fluorescence components, consistent with DOM components previously described in the literature. A remarkable strength of this methodology was that outlier samples appeared naturally integrated in the analysis. We conclude that SOM coupled with a correlation analysis procedure is a promising tool for studying large and heterogeneous EEM data sets.

Self-Organising Maps and Correlation Analysis as a Tool to Explore Patterns in Excitation-Emission Matrix Data Sets and to Discriminate Dissolved Organic Matter Fluorescence Components

Dissolved organic matter (DOM) is a complex mixture of organic compounds, ubiquitous in marine and freshwater systems. Fluorescence spectroscopy, by means of Excitation-Emission Matrices (EEM), has become an indispensable tool to study DOM sources, transport and fate in aquatic ecosystems. However the statistical treatment of large and heterogeneous EEM data sets still represents an important challenge for biogeochemists. Recently, Self-Organising Maps (SOM) has been proposed as a tool to explore patterns in large EEM data sets. SOM is a pattern recognition method which clusterizes and reduces the dimensionality of input EEMs without relying on any assumption about the data structure. In this paper, we show how SOM, coupled with a correlation analysis of the component planes, can be used both to explore patterns among samples, as well as to identify individual fluorescence components. We analysed a large and heterogeneous EEM data set, including samples from a river catchment collected under a range of hydrological conditions, along a 60-km downstream gradient, and under the influence of different degrees of anthropogenic impact. According to our results, chemical industry effluents appeared to have unique and distinctive spectral characteristics. On the other hand, river samples collected under flash flood conditions showed homogeneous EEM shapes. The correlation analysis of the component planes suggested the presence of four fluorescence components, consistent with DOM components previously described in the literature. A remarkable strength of this methodology was that outlier samples appeared naturally integrated in the analysis. We conclude that SOM coupled with a correlation analysis procedure is a promising tool for studying large and heterogeneous EEM data sets.

Fluorescence spectra and ab initio theoretical studies of HCOOH /

A fluorescence excitation spectrum of formic acid monomer (HCOOH) , has been recorded in the 278-246 nm region and has been attributed to an n >7r* electron promotion in the anti conformer. The S^< S^ electronic origins of the HCOOH/HCOOD/DCOOH/DCOOD isotopomers were assigned to weak bands observed at 37431.5/37461.5/37445.5/37479.3 cm'''. From a band contour analysis of the 0°^ band of HCOOH, the rotational constants for the excited state were estimated: A'=1.8619, B'=0.4073, and C'=0.3730 cm'\ Four vibrational modes, 1/3(0=0), j/^(0-C=0) , J/g(C-H^^^) and i/,(0-H^yJ were observed in the spectrum. The activity of the antisymmetric aldehyde wagging and hydroxyl torsional modes in forming progressions is central to the analysis, leading to the conclusion that the two hydrogens are distorted from the molecular plane, 0-C=0, in the upper S. state. Ab initio calculations were performed at the 6-3 IG* SCF level using the Gaussian 86 system of programs to aid in the vibrational assignments. The computations show that the potential surface which describes the low frequency OH torsion (twisting motion) and the CH wagging (molecular inversion) motions is complex in the S^ excited electronic state. The OH and CH bonds were calculated to be twisted with respect to the 0-C=0 molecular frame by 63.66 and 4 5.76 degrees, respectively. The calculations predicted the existence of the second (syn) rotamer which is 338 cm'^ above the equilibrium configuration with OH and CH angles displaced from the plane by 47.91 and 41.32 degrees.

Étude du couplage entre les sous-unités du canal potassique KcsA par des mesures de spectroscopie de fluorescence en canal unitaire

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

Étude des mécanismes moléculaires de formation des pores des toxines formeuses de pores par la spectroscopie de fluorescence

Les toxines formeuses de pore (PFTs) sont des protéines exogènes responsables d’un grand nombre de maladies infectieuses qui perméabilisent les membranes cellulaires de leur hôte. La formation des pores ou l’introduction d’une enzyme dans le cytoplasme peut entrainer l’apparition de symptômes de maladies connues (l’anthrax, le botulisme) et, dans le pire des cas, la mort. Les mécanismes d’infection et de destruction des cellules infectées sont bien caractérisés. Toutefois, l’aspect dynamique des changements de conformation durant le processus de perméabilisation reste à découvrir pour la majorité des toxines formeuses de pore. Le but de cette thèse est d’étudier les mécanismes d’oligomérisation des PFTs, ainsi que la formation des pores à la membrane lipidique grâce à la spectroscopie de fluorescence. Nous avons choisi la toxine Cry1Aa, un bio pesticide produit par le bacille de Thuringe et qui a été rigoureusement caractérisé, en tant que modèle d’étude. La topologie de la Cry1Aa à l’état actif et inactif a pu être résolue grâce à l’utilisation d’une technique de spectroscopie de fluorescence, le FRET ou transfert d’énergie par résonance entre un fluorophore greffé au domaine formeur de pore (D1) et un accepteur non fluorescent (le DPA ou dipicrylamine) localisé dans la membrane et qui bouge selon le potentiel membranaire. Le courant électrique, ainsi que la fluorescence provenant de la bicouche lipidique membranaire horizontale ont été enregistrés simultanément. De cette manière, nous avons pu localiser toutes les boucles reliant les hélices de D1 avant et après la formation des pores. Dans la forme inactive de la toxine, toutes ces boucles se trouvent du côté interne de la bicouche lipidique, mais dans sa forme active l’épingle α3-α4 traverse du côté externe, alors que toutes les autres hélices demeurent du côté interne. Ces résultats suggèrent que α3-α4 forment le pore. Nous avons découvert que la toxine change significativement de conformation une fois qu’elle se trouve dans la bicouche lipidique, et que la Cry1Aa attaque la membrane lipidique de l’extérieur, mais en formant le pore de l’intérieur. Dans le but de caractériser la distribution de toxines à chaque extrémité de la bicouche, nous avons utilisé une technique de double FRET avec deux accepteurs ayant des vitesses de translocation différentes (le DPA et l’oxonol) dans la membrane lipidique. De cette manière, nous avons déterminé que la toxine était présente des deux côtés de la bicouche lipidique durant le processus de perméabilisation. La dynamique d’oligomérisation de la toxine dans une bicouche lipidique sans récepteurs a été étudiée avec une technique permettant le compte des sauts de fluorescence après le photoblanchiment des fluorophore liés aux sous unités composant un oligomère présent dans la bicouche lipidique supportée. Nous avons confirmé de cette manière que la protéine formait ultimement des tétramères, et que cet état résultait de la diffusion des monomères de toxine dans la bicouche et de leur assemblage subséquent. Enfin nous avons voulu étudier le « gating » de la colicine Ia, provenant de la bactérie E.Coli, dans le but d’observer les mouvements que font deux positions supposées traverser la bicouche lipidique selon le voltage imposé aux bornes de la bicouche. Nos résultats préliminaires nous permettent d’observer un mouvement partiel (et non total) de ces positions, tel que le suggèrent les études de conductances du canal.

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Noninvasive Evaluation of Oral Lesions Using Depth-sensitive Optical Spectroscopy

BACKGROUND: Optical spectroscopy is a noninvasive technique with potential applications for diagnosis of oral dysplasia and early cancer. In this study, we evaluated the diagnostic performance of a depth-sensitive optical spectroscopy (DSOS) system for distinguishing dysplasia and carcinoma from non-neoplastic oral mucosa. METHODS: Patients with oral lesions and volunteers without any oral abnormalities were recruited to participate. Autofluorescence and diffuse reflectance spectra of selected oral sites were measured using the DSOS system. A total of 424 oral sites in 124 subjects were measured and analyzed, including 154 sites in 60 patients with oral lesions and 270 sites in 64 normal volunteers. Measured optical spectra were used to develop computer-based algorithms to identify the presence of dysplasia or cancer. Sensitivity and specificity were calculated using a gold standard of histopathology for patient sites and clinical impression for normal volunteer sites. RESULTS: Differences in oral spectra were observed in: (1) neoplastic versus nonneoplastic sites, (2) keratinized versus nonkeratinized tissue, and (3) shallow versus deep depths within oral tissue. Algorithms based on spectra from 310 nonkeratinized anatomic sites (buccal, tongue, floor of mouth, and lip) yielded an area under the receiver operating characteristic curve of 0.96 in the training set and 0.93 in the validation set. CONCLUSIONS: The ability to selectively target epithelial and shallow stromal depth regions appeared to be diagnostically useful. For nonkeratinized oral sites, the sensitivity and specificity of this objective diagnostic technique were comparable to that of clinical diagnosis by expert observers. Thus, DSOS has potential to augment oral cancer screening efforts in community settings. Cancer 2009;115:1669-79. (C) 2009 American Cancer Society.

Autofluorescence spectroscopy in liver transplantation: Preliminary results from a pilot clinical study

The evaluation of graft function at various stages after transplantation is relevant, particularly at the moment of organ harvest, when a decision must be made whether to use the organ. Autofluorescence spectroscopy is noninvasive technique to monitor the metabolic condition of a liver graft throughout its course, from an initial evaluation in the donor, through cold ischemia transportation, to reperfusion and reoxygenation in the recipient. Preliminary results are presented in six liver transplantations spanning the periods from liver harvest to implant. The laser-induced fluorescence spectrum at 532-mn excitation was investigated before cold perfusion (autofluorescence), during cold ischemia, at the back table procedure, as well as 5 and 60 minutes after reperfusion. The results showed that the fluorescence analysis was sensitive to changes during the transplantation procedure. Fluorescence spectroscopy potentially provides a real-time, noninvasive technique to monitor liver graft function. The information could potentially be valuable for surgical decisions and transplant success.