Développement de méthodes analytiques de séparation des produits de digestion enzymatique des dérivés de cellulose

La cellulose et ses dérivés sont utilisés dans un vaste nombre d’applications incluant le domaine pharmaceutique pour la fabrication de médicaments en tant qu’excipient. Différents dérivés cellulosiques tels que le carboxyméthylcellulose (CMC) et l’hydroxyéthylcellulose (HEC) sont disponibles sur le commerce. Le degré de polymérisation et de modification diffèrent énormément d’un fournisseur à l’autre tout dépendamment de l’origine de la cellulose et de leur procédé de dérivation, leur conférant ainsi différentes propriétés physico-chimiques qui leurs sont propres, telles que la viscosité et la solubilité. Notre intérêt est de développer une méthode analytique permettant de distinguer la différence entre deux sources d’un produit CMC ou HEC. L’objectif spécifique de cette étude de maitrise était l’obtention d’un profil cartographique de ces biopolymères complexes et ce, par le développement d’une méthode de digestion enzymatique donnant les oligosaccharides de plus petites tailles et par la séparation de ces oligosaccharides par les méthodes chromatographiques simples. La digestion fut étudiée avec différents paramètres, tel que le milieu de l’hydrolyse, le pH, la température, le temps de digestion et le ratio substrat/enzyme. Une cellulase de Trichoderma reesei ATCC 26921 fut utilisée pour la digestion partielle de nos échantillons de cellulose. Les oligosaccharides ne possédant pas de groupements chromophores ou fluorophores, ils ne peuvent donc être détectés ni par absorbance UV-Vis, ni par fluorescence. Il a donc été question d’élaborer une méthode de marquage des oligosaccharides avec différents agents, tels que l’acide 8-aminopyrène-1,3,6-trisulfonique (APTS), le 3-acétylamino-6-aminoacridine (AA-Ac) et la phénylhydrazine (PHN). Enfin, l’utilisation de l’électrophorèse capillaire et la chromatographie liquide à haute performance a permis la séparation des produits de digestion enzymatique des dérivés de cellulose. Pour chacune de ces méthodes analytiques, plusieurs paramètres de séparation ont été étudiés.

Marquage fluorescent des protéines pour étudier les enzymes protéolytiques solubles et immobilisées par la cartographie peptidique électrophorétique

La cartographie peptidique est une méthode qui permet entre autre d’identifier les modifications post-traductionnelles des protéines. Elle comprend trois étapes : 1) la protéolyse enzymatique, 2) la séparation par électrophorèse capillaire (CE) ou chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC) des fragments peptidiques et 3) l’identification de ces derniers. Cette dernière étape peut se faire par des méthodes photométriques ou par spectrométrie de masse (MS). Au cours de la dernière décennie, les enzymes protéolytiques immobilisées ont acquis une grande popularité parce qu’elles peuvent être réutilisées et permettent une digestion rapide des protéines due à un rapport élevé d’enzyme/substrat. Pour étudier les nouvelles techniques d’immobilisation qui ont été développées dans le laboratoire du Professeur Waldron, la cartographie peptidique par CE est souvent utilisée pour déterminer le nombre total de peptides détectés et leurs abondances. La CE nous permet d’avoir des séparations très efficaces et lorsque couplée à la fluorescence induite par laser (LIF), elle donne des limites de détection qui sont 1000 fois plus basses que celles obtenues avec l’absorbance UV-Vis. Dans la méthode typique, les peptides venant de l’étape 1) sont marqués avec un fluorophore avant l’analyse par CE-LIF. Bien que la sensibilité de détection LIF puisse approcher 10-12 M pour un fluorophore, la réaction de marquage nécessite un analyte dont la concentration est d’au moins 10-7 M, ce qui représente son principal désavantage. Donc, il n’est pas facile d’étudier les enzymes des peptides dérivés après la protéolyse en utilisant la technique CE-LIF si la concentration du substrat protéique initial est inférieure à 10-7 M. Ceci est attribué à la dilution supplémentaire lors de la protéolyse. Alors, afin d’utiliser le CE-LIF pour évaluer l’efficacité de la digestion par enzyme immobilisée à faible concentration de substrat,nous proposons d’utiliser des substrats protéiques marqués de fluorophores pouvant être purifiés et dilués. Trois méthodes de marquage fluorescent de protéine sont décrites dans ce mémoire pour étudier les enzymes solubles et immobilisées. Les fluorophores étudiés pour le marquage de protéine standard incluent le naphtalène-2,3-dicarboxaldéhyde (NDA), la fluorescéine-5-isothiocyanate (FITC) et l’ester de 6-carboxyfluorescéine N-succinimidyl (FAMSE). Le FAMSE est un excellent réactif puisqu’il se conjugue rapidement avec les amines primaires des peptides. Aussi, le substrat marqué est stable dans le temps. Les protéines étudiées étaient l’-lactalbumine (LACT), l’anhydrase carbonique (CA) et l’insuline chaîne B (INB). Les protéines sont digérées à l’aide de la trypsine (T), la chymotrypsine (CT) ou la pepsine (PEP) dans leurs formes solubles ou insolubles. La forme soluble est plus active que celle immobilisée. Cela nous a permis de vérifier que les protéines marquées sont encore reconnues par chaque enzyme. Nous avons comparé les digestions des protéines par différentes enzymes telles la chymotrypsine libre (i.e., soluble), la chymotrypsine immobilisée (i.e., insoluble) par réticulation avec le glutaraldéhyde (GACT) et la chymotrypsine immobilisée sur billes d’agarose en gel (GELCT). Cette dernière était disponible sur le marché. Selon la chymotrypsine utilisée, nos études ont démontré que les cartes peptidiques avaient des différences significatives selon le nombre de pics et leurs intensités correspondantes. De plus, ces études nous ont permis de constater que les digestions effectuées avec l’enzyme immobilisée avaient une bonne reproductibilité. Plusieurs paramètres quantitatifs ont été étudiés afin d’évaluer l’efficacité des méthodes développées. La limite de détection par CE-LIF obtenue était de 3,010-10 M (S/N = 2,7) pour la CA-FAM digérée par GACT et de 2,010-10 M (S/N = 4,3) pour la CA-FAM digérée par la chymotrypsine libre. Nos études ont aussi démontrées que la courbe d’étalonnage était linéaire dans la région de travail (1,0×10-9-1,0×10-6 M) avec un coefficient de corrélation (R2) de 0,9991.

Développement de méthodes de séparation des chitooligosaccharides obtenus par déacétylation enzymatique

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

L’étude des stratégies de séparations préparatrices de protéines par électrophorèse capillaire

La protéomique est un sujet d'intérêt puisque l'étude des fonctions et des structures de protéines est essentiel à la compréhension du fonctionnement d'un organisme donné. Ce projet se situe dans la catégorie des études structurales, ou plus précisément, la séquence primaire en acides aminés pour l’identification d’une protéine. La détermination des protéines commence par l'extraction d'un mélange protéique issu d'un tissu ou d'un fluide biologique pouvant contenir plus de 1000 protéines différentes. Ensuite, des techniques analytiques comme l’électrophorèse en gel polyacrylamide en deux dimensions (2D-SDS-PAGE), qui visent à séparer ce mélange en fonction du point isoélectrique et de la masse molaire des protéines, sont utilisées pour isoler les protéines et pour permettre leur identification par chromatographie liquide and spectrométrie de masse (MS), typiquement. Ce projet s'inspire de ce processus et propose que l'étape de fractionnement de l'extrait protéique avec la 2D-SDS-PAGE soit remplacé ou supporté par de multiples fractionnements en parallèle par électrophorèse capillaire (CE) quasi-multidimensionnelle. Les fractions obtenues, contenant une protéine seule ou un mélange de protéines moins complexe que l’extrait du départ, pourraient ensuite être soumises à des identifications de protéines par cartographie peptidique et cartographie protéique à l’aide des techniques de séparations analytiques et de la MS. Pour obtenir la carte peptidique d'un échantillon, il est nécessaire de procéder à la protéolyse enzymatique ou chimique des protéines purifiées et de séparer les fragments peptidiques issus de cette digestion. Les cartes peptidiques ainsi générées peuvent ensuite être comparées à des échantillons témoins ou les masses exactes des peptides enzymatiques sont soumises à des moteurs de recherche comme MASCOT™, ce qui permet l’identification des protéines en interrogeant les bases de données génomiques. Les avantages exploitables de la CE, par rapport à la 2D-SDS-PAGE, sont sa haute efficacité de séparation, sa rapidité d'analyse et sa facilité d'automatisation. L’un des défis à surmonter est la faible quantité de masse de protéines disponible après analyses en CE, due partiellement à l'adsorption des protéines sur la paroi du capillaire, mais due majoritairement au faible volume d'échantillon en CE. Pour augmenter ce volume, un capillaire de 75 µm était utilisé. Aussi, le volume de la fraction collectée était diminué de 1000 à 100 µL et les fractions étaient accumulées 10 fois; c’est-à-dire que 10 produits de séparations étaient contenu dans chaque fraction. D'un autre côté, l'adsorption de protéines se traduit par la variation de l'aire d'un pic et du temps de migration d'une protéine donnée ce qui influence la reproductibilité de la séparation, un aspect très important puisque 10 séparations cumulatives sont nécessaires pour la collecte de fractions. De nombreuses approches existent pour diminuer ce problème (e.g. les extrêmes de pH de l’électrolyte de fond, les revêtements dynamique ou permanent du capillaire, etc.), mais dans ce mémoire, les études de revêtement portaient sur le bromure de N,N-didodecyl-N,N-dimethylammonium (DDAB), un surfactant qui forme un revêtement semi-permanent sur la paroi du capillaire. La grande majorité du mémoire visait à obtenir une séparation reproductible d'un mélange protéique standard préparé en laboratoire (contenant l’albumine de sérum de bovin, l'anhydrase carbonique, l’α-lactalbumine et la β-lactoglobulin) par CE avec le revêtement DDAB. Les études portées sur le revêtement montraient qu'il était nécessaire de régénérer le revêtement entre chaque injection du mélange de protéines dans les conditions étudiées : la collecte de 5 fractions de 6 min chacune à travers une séparation de 30 min, suivant le processus de régénération du DDAB, et tout ça répété 10 fois. Cependant, l’analyse en CE-UV et en HPLC-MS des fractions collectées ne montraient pas les protéines attendues puisqu'elles semblaient être en-dessous de la limite de détection. De plus, une analyse en MS montrait que le DDAB s’accumule dans les fractions collectées dû à sa désorption de la paroi du capillaire. Pour confirmer que les efforts pour recueillir une quantité de masse de protéine étaient suffisants, la méthode de CE avec détection par fluorescence induite par laser (CE-LIF) était utilisée pour séparer et collecter la protéine, albumine marquée de fluorescéine isothiocyanate (FITC), sans l'utilisation du revêtement DDAB. Ces analyses montraient que l'albumine-FITC était, en fait, présente dans la fraction collecté. La cartographie peptidique a été ensuite réalisée avec succès en employant l’enzyme chymotrypsine pour la digestion et CE-LIF pour obtenir la carte peptidique.

Characterization of glutaraldehyde-immobilized chymotrypsin and an in-situ immobilized enzyme reactor using capillary electrophoresis-based peptide mapping

La digestion enzymatique des protéines est une méthode de base pour les études protéomiques ainsi que pour le séquençage en mode « bottom-up ». Les enzymes sont ajoutées soit en solution (phase homogène), soit directement sur le gel polyacrylamide selon la méthode déjà utilisée pour l’isolation de la protéine. Les enzymes protéolytiques immobilisées, c’est-à-dire insolubles, offrent plusieurs avantages tels que la réutilisation de l’enzyme, un rapport élevé d’enzyme-sur-substrat, et une intégration facile avec les systèmes fluidiques. Dans cette étude, la chymotrypsine (CT) a été immobilisée par réticulation avec le glutaraldehyde (GA), ce qui crée des particules insolubles. L’efficacité d’immobilisation, déterminée par spectrophotométrie d’absorbance, était de 96% de la masse totale de la CT ajouté. Plusieurs différentes conditions d’immobilisation (i.e., réticulation) tels que la composition/pH du tampon et la masse de CT durant la réticulation ainsi que les différentes conditions d’entreposage tels que la température, durée et humidité pour les particules GA-CT ont été évaluées par comparaison des cartes peptidiques en électrophorèse capillaire (CE) des protéines standards digérées par les particules. Les particules de GA-CT ont été utilisés pour digérer la BSA comme exemple d’une protéine repliée large qui requit une dénaturation préalable à la digestion, et pour digérer la caséine marquée avec de l’isothiocyanate de fluorescéine (FITC) comme exemple d’un substrat dérivé afin de vérifier l’activité enzymatique du GA-CT dans la présence des groupements fluorescents liés au substrat. La cartographie peptidique des digestions par les particules GA-CT a été réalisée par CE avec la détection par absorbance ultraviolet (UV) ou fluorescence induite par laser. La caséine-FITC a été, en effet, digérée par GA-CT au même degré que par la CT libre (i.e., soluble). Un microréacteur enzymatique (IMER) a été fabriqué par immobilisation de la CT dans un capillaire de silice fondu du diamètre interne de 250 µm prétraité avec du 3-aminopropyltriéthoxysilane afin de fonctionnaliser la paroi interne avec les groupements amines. Le GA a été réagit avec les groupements amine puis la CT a été immobilisée par réticulation avec le GA. Les IMERs à base de GA-CT étaient préparé à l’aide d’un système CE automatisé puis utilisé pour digérer la BSA, la myoglobine, un peptide ayant 9 résidus et un dipeptide comme exemples des substrats ayant taille large, moyenne et petite, respectivement. La comparaison des cartes peptidiques des digestats obtenues par CE-UV ou CE-spectrométrie de masse nous permettent d’étudier les conditions d’immobilisation en fonction de la composition et le pH du tampon et le temps de réaction de la réticulation. Une étude par microscopie de fluorescence, un outil utilisé pour examiner l’étendue et les endroits d’immobilisation GA-CT dans l’IMER, ont montré que l’immobilisation a eu lieu majoritairement sur la paroi et que la réticulation ne s’est étendue pas si loin au centre du capillaire qu’anticipée.

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons.

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons

Use of photoacoustic effect for the detection of phase transitions in liquid crystal mixtures

We report on a laser induced photoacoustic study of the nematic-to-isotropic transition in certain commercial nematic liquid crystal mixtures, namely BL001, BL002, BL032 and BL035. A simple analysis of the experimental data using the Rosencwaig–Gersho theory shows that the heat capacities of all these compounds exhibit a sharp peak as the temperature of the sample is varied across the transition region. Also, substantial differences in the photoacoustic signal amplitudes in nematic and isotropic phases have been noticed for all the mixtures. The increased light scattering property of the nematic phase may be the reason for the enhanced photoacoustic signal amplitude in this phase.

Use of photoacoustic effect for the detection of phase transitions in liquid crystal mixtures

We report on a laser induced photoacoustic study of the nematic-to-isotropic transition in certain commercial nematic liquid crystal mixtures, namely BL001, BL002, BL032 and BL035. A simple analysis of the experimental data using the Rosencwaig–Gersho theory shows that the heat capacities of all these compounds exhibit a sharp peak as the temperature of the sample is varied across the transition region. Also, substantial differences in the photoacoustic signal amplitudes in nematic and isotropic phases have been noticed for all the mixtures. The increased light scattering property of the nematic phase may be the reason for the enhanced photoacoustic signal amplitude in this phase

Use of photoacoustic effect for the detection of phase transitions in liquid crystal mixtures

We report on a laser induced photoacoustic study of the nematic-to-isotropic transition in certain commercial nematic liquid crystal mixtures, namely BL001, BL002, BL032 and BL035. A simple analysis of the experimental data using the Rosencwaig–Gersho theory shows that the heat capacities of all these compounds exhibit a sharp peak as the temperature of the sample is varied across the transition region. Also, substantial differences in the photoacoustic signal amplitudes in nematic and isotropic phases have been noticed for all the mixtures. The increased light scattering property of the nematic phase may be the reason for the enhanced photoacoustic signal amplitude in this phase.

Optical and Thermal Characterization of Dye Intercalated Montmorillonites and Rare Earth Doped Materials

Nondestructive photothermal methods as well as optical absorption and fluorescence spectroscopy are utilized to characterise three different materials, both thermally and optically. The possibility of using montmorillonite clay minerals, after textile waste-water treatment, is investigated for further applications. The laser induced luminescence studies and thermal characterisation of certain rare earth titanates prepared by self propagating high temperature synthesis method are also presented. Moreover, effort is made to characterise rare earth doped sol gel silica glasses with the help of these nondestructive techniques.

Spectroscopic Investigation of Tooth Caries and Demineralization

Dental caries persists to be the most predominant oral disease in spite of remarkable progress made during the past half- century to reduce its prevalence. Early diagnosis of carious lesions is an important factor in the prevention and management of dental caries. Conventional procedures for caries detection involve visual-tactile and radiographic examination, which is considered as “gold standard”. These techniques are subjective and are unable to detect the lesions until they are well advanced and involve about one-third of the thickness of enamel. Therefore, all these factors necessitate the need for the development of new techniques for early diagnosis of carious lesions. Researchers have been trying to develop various instruments based on optical spectroscopic techniques for detection of dental caries during the last two decades. These optical spectroscopic techniques facilitate noninvasive and real-time tissue characterization with reduced radiation exposure to patient, thereby improving the management of dental caries. Nonetheless, a costeffective optical system with adequate sensitivity and specificity for clinical use is still not realized and development of such a system is a challenging task.Two key techniques based on the optical properties of dental hard tissues are discussed in this current thesis, namely laser-induced fluorescence (LIF) and diffuse reflectance (DR) spectroscopy for detection of tooth caries and demineralization. The work described in this thesis is mainly of applied nature, focusing on the analysis of data from in vitro tooth samples and extending these results to diagnose dental caries in a clinical environment. The work mainly aims to improve and contribute to the contemporary research on fluorescence and diffuse reflectance for discriminating different stages of carious lesions. Towards this, a portable and compact laser-induced fluorescence and reflectance spectroscopic system (LIFRS) was developed for point monitoring of fluorescence and diffuse reflectance spectra from tooth samples. The LIFRS system uses either a 337 nm nitrogen laser or a 404 nm diode laser for the excitation of tooth autofluorescence and a white light source (tungsten halogen lamp) for measuring diffuse reflectance.Extensive in vitro studies were carried out on extracted tooth samples to test the applicability of LIFRS system for detecting dental caries, before being tested in a clinical environment. Both LIF and DR studies were performed for diagnosis of dental caries, but special emphasis was given for early detection and also to discriminate between different stages of carious lesions. Further the potential of LIFRS system in detecting demineralization and remineralization were also assessed.In the clinical trial on 105 patients, fluorescence reference standard (FRS) criteria was developed based on LIF spectral ratios (F500/F635 and F500/F680) to discriminate different stages of caries and for early detection of dental caries. The FRS ratio scatter plots developed showed better sensitivity and specificity as compared to clinical and radiographic examination, and the results were validated with the blindtests. Moreover, the LIF spectra were analyzed by curve-fitting using Gaussian spectral functions and the derived curve-fitted parameters such as peak position, Gaussian curve area, amplitude and width were found to be useful for distinguishing different stages of caries. In DR studies, a novel method was established based on DR ratios (R500/R700, R600/R700 and R650/R700) to detect dental caries with improved accuracy. Further the diagnostic accuracy of LIFRS system was evaluated in terms of sensitivity, specificity and area under the ROC curve. On the basis of these results, the LIFRS system was found useful as a valuable adjunct to the clinicians for detecting carious lesions.

Young’s modulus of silicon nitride used in scanning force microscope cantilevers

The Young’s modulus and Poisson’s ratio of high-quality silicon nitride films with 800 nm thickness, grown on silicon substrates by low-pressure chemical vapor deposition, were determined by measuring the dispersion of laser-induced surface acoustic waves. The Young’s modulus was also measured by mechanical tuning of commercially available silicon nitride cantilevers, manufactured from the same material, using the tapping mode of a scanning force microscope. For this experiment, an expression for the oscillation frequencies of two-media beam systems is derived. Both methods yield a Young’s modulus of 280–290 GPa for amorphous silicon nitride, which is substantially higher than previously reported (E5146 GPa). For Poisson’s ratio, a value of n 50.20 was obtained. These values are relevant for the determination of the spring constant of the cantilever and the effective tip–sample stiffness

Thermal diffusivity of some polymer supported halogeno benzimidazole complexes of cobalt(II) and copper(II) - a photoacoustic study

The thermal diffusivities of some polystyrene supported Schiff complexes of Co(II) and Cu(II) were determined by the laser induced photoacoustic technique. The effect of metal as well as the halogen part on thermal diffusivity of polymer supported complexes was studied. The thermal diffusivity of Co complexes increases while it decreases in Cu complexes with Cl, Br and I substitutions, respectively.