Life without complex I: proteome analyses of an Arabidopsis mutant lacking the mitochondrial NADH dehydrogenase complex

The mitochondrial NADH dehydrogenase complex (complex I) is of particular importance for the respiratory chain in mitochondria. It is the major electron entry site for the mitochondrial electron transport chain (mETC) and therefore of great significance for mitochondrial ATP generation. We recently described an Arabidopsis thaliana double-mutant lacking the genes encoding the carbonic anhydrases CA1 and CA2, which both form part of a plant-specific 'carbonic anhydrase domain' of mitochondrial complex I. The mutant lacks complex I completely. Here we report extended analyses for systematically characterizing the proteome of the ca1ca2 mutant. Using various proteomic tools, we show that lack of complex I causes reorganization of the cellular respiration system. Reduced electron entry into the respiratory chain at the first segment of the mETC leads to induction of complexes II and IV as well as alternative oxidase. Increased electron entry at later segments of the mETC requires an increase in oxidation of organic substrates. This is reflected by higher abundance of proteins involved in glycolysis, the tricarboxylic acid cycle and branched-chain amino acid catabolism. Proteins involved in the light reaction of photosynthesis, the Calvin cycle, tetrapyrrole biosynthesis, and photorespiration are clearly reduced, contributing to the significant delay in growth and development of the double-mutant. Finally, enzymes involved in defense against reactive oxygen species and stress symptoms are much induced. These together with previously reported insights into the function of plant complex I, which were obtained by analysing other complex I mutants, are integrated in order to comprehensively describe 'life without complex I'.

Mutation in NDUFA13/GRIM19 leads to early onset hypotonia, dyskinesia and sensorial deficiencies, and mitochondrial complex I instability

International audience

I. Quantal effects in biochemical cooperativity and a proposed mechanism for the differentiation of calcium signaling in synaptic plasticity. II. Evolutionary algorithms for the optimization of methods in computational chemistry

In Part 1 of this thesis, we propose that biochemical cooperativity is a fundamentally non-ideal process. We show quantal effects underlying biochemical cooperativity and highlight apparent ergodic breaking at small volumes. The apparent ergodic breaking manifests itself in a divergence of deterministic and stochastic models. We further predict that this divergence of deterministic and stochastic results is a failure of the deterministic methods rather than an issue of stochastic simulations.

Ergodic breaking at small volumes may allow these molecular complexes to function as switches to a greater degree than has previously been shown. We propose that this ergodic breaking is a phenomenon that the synapse might exploit to differentiate Ca$^{2+}$ signaling that would lead to either the strengthening or weakening of a synapse. Techniques such as lattice-based statistics and rule-based modeling are tools that allow us to directly confront this non-ideality. A natural next step to understanding the chemical physics that underlies these processes is to consider \textit{in silico} specifically atomistic simulation methods that might augment our modeling efforts.

In the second part of this thesis, we use evolutionary algorithms to optimize \textit{in silico} methods that might be used to describe biochemical processes at the subcellular and molecular levels. While we have applied evolutionary algorithms to several methods, this thesis will focus on the optimization of charge equilibration methods. Accurate charges are essential to understanding the electrostatic interactions that are involved in ligand binding, as frequently discussed in the first part of this thesis.

Towards near-infrared photoactivation of anticancer metal complexes.

171 p.

Complexes cationiques POCOP de nickel : synthèse, caractérisation, réactivité et étude catalytique

Ce mémoire traite de la chimie des complexes pinceurs de nickel (II) cationiques ayant un ligand de type POCOP. Elle se divise en deux parties. La première traite de la synthèse, de la caractérisation et de la réactivité des complexes cationiques pinceurs de Ni(II) de type POCOP (POCOP = 1,3-bis(phosphinitobenzene), où C fait partie d’un cycle benzénique et est lié au métal, et P est un ligand phosphoré aussi lié au métal). Ces complexes ont un ligand acétonitrile coordonné au centre métallique et sont du type [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3], où R est un substituant du cycle benzénique et R’ est un substituant sur le ligand phosphoré (R’ = iPr: R = H (1), p-Me(2), p-OMe(3), p-CO2Me(4), p-Br(5), m,m-tBu2(6), m-OMe(7), m-CO2Me(8); R’ = t-Bu : R = H (9), p-CO2Me(10)). Les complexes cationiques sont préparés en faisant réagir le dérivé Ni(II) neutre correspondant R-(POCOPR’)Ni-Br avec Ag(OSO2CF3¬) dans l’acétonitrile à température ambiante. L’impact des groupements R et R’ du ligand POCOP sur la structure et sur les propriétées électroniques du complexe a été étudié par spectroscopies RMN, UV-VIS et IR, analyse électrochimique, et diffraction des rayons X. Les valeurs de fréquence du lien C≡N (ν(C≡N)) augmentent avec le caractère électroattracteur du complexe, dans l’ordre 7 < 3 ~ 2 ~ 6 < 1 < 5 ~ 8 < 4 et 9 < 10. Ces résultats sont en accord avec le fait qu’une augmentation du caractère électrophile du centre métallique devrait résulter en une augmentation de la donation σ MeCN→Ni. De plus, les complexes cationiques montrent tous un potentiel d’oxydation Ni(II)/Ni(III) plus élevé que leurs analogues neutres Ni-Br. Ensuite, une étude d’équilibre entre un complexe neutre (R-POCOPR’)NiBr et un complexe cationique [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3] démontre l’échange facile des ligands MeCN et Br. La deuxième partie de ce mémoire consiste en deux chapitres. Le premier (Chapitre 3) est une étude structurelle permettant une meilleure compréhension du mécanisme d’hydroamination des oléfines activées promue par les complexes présentés au chapitre 1, suivi de tentatives de synthèse de nouveaux composés POCOP cationiques comportant un ligand amine et nitrile, et de déplacement du groupement amine par un groupement nitrile. Le deuxième chapitre (4) décrit la réactivité et la cinétique de la réaction d’hydroamination et d’hydroalkoxylation d’oléfines activées, qui permet ainsi de mieux comprendre l’impact des différentes variables du système (groupements R et R’, température, substrats, solvent, etc.) sur la réactivité catalytique.

Octahedral molybdenum cluster complexes with aromatic sulfonate ligands

This article describes the synthesis, structures and systematic study of the spectroscopic and redox properties of a series of octahedral molybdenum metal cluster complexes with aromatic sulfonate ligands (nBu4N)2[{Mo6X8}(OTs)6] and (nBu4N)2[{Mo6X8}(PhSO3)6] (where X- is Cl-, Br- or I-; OTs- is p-toluenesulfonate and PhSO3 - is benzenesulfonate). All the complexes demonstrated photoluminescence in the red region and an ability to generate singlet oxygen. Notably, the highest quantum yields (>0.6) and narrowest emission bands were found for complexes with a {Mo6I8}4+ cluster core. Moreover, cyclic voltammetric studies revealed that (nBu4N)2[{Mo6X8}(OTs)6] and (nBu4N)2[{Mo6X8}(PhSO3)6] confer enhanced stability towards electrochemical oxidation relative to corresponding starting complexes (nBu4N)2[{Mo6X8}X6].

Complexes cationiques POCOP de nickel : synthèse, caractérisation, réactivité et étude catalytique

Ce mémoire traite de la chimie des complexes pinceurs de nickel (II) cationiques ayant un ligand de type POCOP. Elle se divise en deux parties. La première traite de la synthèse, de la caractérisation et de la réactivité des complexes cationiques pinceurs de Ni(II) de type POCOP (POCOP = 1,3-bis(phosphinitobenzene), où C fait partie d’un cycle benzénique et est lié au métal, et P est un ligand phosphoré aussi lié au métal). Ces complexes ont un ligand acétonitrile coordonné au centre métallique et sont du type [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3], où R est un substituant du cycle benzénique et R’ est un substituant sur le ligand phosphoré (R’ = iPr: R = H (1), p-Me(2), p-OMe(3), p-CO2Me(4), p-Br(5), m,m-tBu2(6), m-OMe(7), m-CO2Me(8); R’ = t-Bu : R = H (9), p-CO2Me(10)). Les complexes cationiques sont préparés en faisant réagir le dérivé Ni(II) neutre correspondant R-(POCOPR’)Ni-Br avec Ag(OSO2CF3¬) dans l’acétonitrile à température ambiante. L’impact des groupements R et R’ du ligand POCOP sur la structure et sur les propriétées électroniques du complexe a été étudié par spectroscopies RMN, UV-VIS et IR, analyse électrochimique, et diffraction des rayons X. Les valeurs de fréquence du lien C≡N (ν(C≡N)) augmentent avec le caractère électroattracteur du complexe, dans l’ordre 7 < 3 ~ 2 ~ 6 < 1 < 5 ~ 8 < 4 et 9 < 10. Ces résultats sont en accord avec le fait qu’une augmentation du caractère électrophile du centre métallique devrait résulter en une augmentation de la donation σ MeCN→Ni. De plus, les complexes cationiques montrent tous un potentiel d’oxydation Ni(II)/Ni(III) plus élevé que leurs analogues neutres Ni-Br. Ensuite, une étude d’équilibre entre un complexe neutre (R-POCOPR’)NiBr et un complexe cationique [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3] démontre l’échange facile des ligands MeCN et Br. La deuxième partie de ce mémoire consiste en deux chapitres. Le premier (Chapitre 3) est une étude structurelle permettant une meilleure compréhension du mécanisme d’hydroamination des oléfines activées promue par les complexes présentés au chapitre 1, suivi de tentatives de synthèse de nouveaux composés POCOP cationiques comportant un ligand amine et nitrile, et de déplacement du groupement amine par un groupement nitrile. Le deuxième chapitre (4) décrit la réactivité et la cinétique de la réaction d’hydroamination et d’hydroalkoxylation d’oléfines activées, qui permet ainsi de mieux comprendre l’impact des différentes variables du système (groupements R et R’, température, substrats, solvent, etc.) sur la réactivité catalytique.

Développement d’un dispositif d’extrusion tridimensionnelle de sucre vitrifié pour la production de réseaux fluidiques complexes par moulage rapide

L’objectif du vaste projet de recherche dans lequel s’inscrit ce mémoire est de guérir le diabète de type 1 en fabriquant un pancréas bioartificiel vascularisé contenant des cellules bêta (i.e. les cellules sécrétant l’insuline). Ce dispositif permettrait de rendre aux personnes atteintes par le diabète de type 1 la capacité de sécréter par elles-mêmes de l’insuline et de réguler leur glycémie. La vascularisation est actuellement un enjeu de taille dans le domaine du génie tissulaire. La plupart des tissus incorporant des cellules générées par le génie tissulaire sont actuellement fortement limités en épaisseur faute d’être vascularisés adéquatement. Pour les tissus dont l’épaisseur dépasse 400 μm, la vascularisation est nécessaire à la survie de la plupart des cellules qui autrement souffriraient d’hypoxie, les empêchant ainsi d’accomplir leurs fonctions [1]. Ce mémoire présente le développement et la mise en service d’un dispositif d’extrusion tridimensionnelle de sucre vitrifié pour la vascularisation d’un pancréas bioartificiel. Ce dispositif a été développé au laboratoire de recherche sur les procédés d’impression 3D ainsi qu’au bureau de design du département de génie mécanique de l’Université Laval. Grâce à cette technique d’impression 3D novatrice et à la caractérisation du procédé, il est maintenant possible de produire rapidement et avec précision des structures temporaires en sucre vitrifié pour la fabrication de réseaux vasculaires tridimensionnels complexes. Les structures temporaires peuvent, après leur production, être utilisées pour réaliser le moulage rapide de constructions vascularisées avec des matériaux tels que du polydiméthylsiloxane (PDMS) ou des hydrogels chargés de cellules biologiques. De par la nature du matériel utilisé, les moules temporaires peuvent être facilement et rapidement dissous dans une solution aqueuse et laisser place à un réseau de canaux creux sans créer de rejets toxiques, ce qui représente un avantage majeur dans un contexte de bio-ingénierie.

Vers une compréhension mécanistique de la biocatalyse des composés pharmaceutiques dans des matrices complexes par traitement fongique (Trametes hirsuta)

La présence des contaminants organiques dans l’environnement est une problématique aux enjeux aussi bien scientifiques que politiques. Le caractère diffus et continu (différentes et multiples sources) de cette contamination ne permet pas à ces molécules biologiquement actives d’être soumises à une législation. Ces molécules, pouvant être très récalcitrantes, ne sont pas systématiquement éliminées par les systèmes de traitement des eaux conventionnels. Actuellement, de nouveaux procédés biotechnologiques basés sur des enzymes extracellulaires (e.g. Laccase) ou des champignons lignivores permettent l’élimination des composés les plus récalcitrants. Notre compréhension des mécanismes impliqués dans cette élimination reste incomplète. En effet, la biosorption et l’activité des enzymes extracellulaire sont les mécanismes les plus souvent mis en avant pour expliquer l’efficacité des procédés d’élimination fongique, mais ne sont pas capables d’expliquer les performances obtenues pour certains composés pharmaceutiques. Ces lacunes dans nos connaissances sur les mécanismes responsables de l’élimination fongique des contaminants organiques sont un frein à la pleine exploitation de ces procédés de traitement. De plus, il est forcé d’admettre qu’un grand nombre de travaux portant sur l’élimination fongique de contaminants organiques ont été réalisés dans des conditions de hautes concentrations, qui peuvent être peu représentatives des matrices environnementales. Ainsi, les effets observés à plus forte concentration peuvent etre le résultat dû au stress de l’organisme au contact des contaminants (toxicités). Cette thèse adresse deux questions ; ainsi quelle est l’influence des concentrations traces sur de tels procédés ? Et comment expliquer l’élimination de certains contaminants organiques lors des traitements fongiques ? Afin d’apporter des éléments de réponse sur les mécanismes mis en jeux lors de l’élimination fongique, les travaux présentés ici ont été réalisés sur un modèle de champignon lignivore connu pour ses propriétés en bioremediation. Dans un premier temps, un développement analytique permettant la quantification d’une sélection de contaminants organiques à l’état de traces a été réalisé. Cette méthode a permis d’effectuer des analyses de ces molécules à partir d’un seul échantillon environnemental de faible biomasse et à partir d’une seule injection instrumentale. Les résultats de cette thèse démontrent que l’élimination fongique de contaminants organiques résulte de mécanismes plus complexes que précédemment décrits. Notamment, la dégradation est fortement dépendante d’une étape initiale d’internalisation du contaminant par l’organisme ciblé et de la dégradation intracellulaire. Les mécanismes impliqués peuvent ainsi donnés lieux à des réactions de conjugaison intracellulaire des molecules (glucuronide, glutathione). Les résultats démontrent également que ces procédés d’élimination fongique sont efficaces sur une large gamme de concentration en contaminants organiques. Cependant, les faibles concentrations modifient les propriétés physico-chimiques et biologiques de l’organisme testé (i.e. un changement de la morphologie et du profil de la production enzymatique). La réponse biologique n’étant pas directement proportionnelle a l’exposition en contaminant. Cette étude a permis d’accroitre notre compréhension des mécanismes impliqués dans la dégradation fongique de contaminants organiques. Ceci ouvre la voie à de nouvelles études portant sur les interactions entre processus intra — et extracellulaires. Cette thèse contribue également à l’amélioration des connaissances en offrant des outils de compréhension nécessaire à l’optimisation et au développement du potentiel de ces procédés biotechnologiques (ciblage et role des enzymes réeellement impliquées dans les réactions de biocatalyse).

DNA markers to disentangle complexes of cryptic taxa in mealybugs (Hemiptera: Pseudococcidae).

Mealybugs (Hemiptera: Pseudococcidae) are major pests of a wide range of crops and ornamental plants worldwide. Their high degree of morphological similarity makes them difficult to identify and limits their study and management. We aimed to identify a set of markers for the genetic characterization and identification of complexes of taxa in the Pseudococcidae. We surveyed and tested the genetic markers used in previous studies and then identified new markers for particularly relevant genomic regions for which no satisfactory markers were available. We tested all markers on a subset of four taxa distributed worldwide. Five markers were retained after this first screening: two regions of the mitochondrial cytochrome oxidase I gene, 28S-D2, the entire internal transcriber space 2 locus and the rpS15-16S region of the primary mealybug endosymbiont Tremblaya princeps. We then assessed the utility of these markers for the characterization and identification of 239 samples from 43 sites in France and Brazil. The five markers studied (i) successfully distinguished all species identified by morphological examination, (ii) disentangled complexes of species by revealing intraspecific genetic variation and identified a set of closely related taxa for which taxonomic status requires clarification through further studies, and (iii) facilitated the inference of phylogenetic relationships between the characterized taxa.

Synthesis of manganese organometallic complexes

Il presente lavoro di tesi si inserisce in un progetto di ricerca volto alla sintesi di nuovi complessi di metalli di transizione per lo sviluppo di catalizzatori da impiegare in reazioni di catalisi omogenea. In particolare il mio progetto si è concentrato sulla sintesi di complessi organometallici di manganese con leganti carbenici N-eterociclici (NHC). La scelta dei leganti è stata effettuata in modo tale da poter avere leganti chelanti NHC di tipo MIC (mesoionic carbene) sintetizzati tramite cicloaddizione tra un alchino ed un azide catalizzata da rame (CuAAC) e N-alchilazione. Lo studio di questi complessi a base di manganese è ancora tutt’oggi agli albori, leganti NHC vengono molto utilizzati grazie alla possibilità di variarne le proprietà steriche ed elettroniche e alla possibilità di formare legami forti con quasi tutti i metalli. Il manganese è stato scelto poiché un elemento abbondante, poco tossico e poco costoso. The present thesis work is part of a research project aimed at the synthesis of new transition metal complexes to be used in homogeneous catalysis reactions. In particular my project focused on the synthesis of manganese organometallic complexes with N-heterocyclic carbene ligands (NHC). The choice of ligands was carried out to have NHC chelating ligands of the class of MIC (mesoionic carbene). These ligands are synthesized by cycloaddition between alkyl and azide with a copper-catalyzed reaction (CuAAC) and N-alkylation in order to obtain MIC after deprotonation. The study of these manganese-based complexes is still in its infancy today, NHC ligands are widely used thanks to the possibility of varying their steric and electronic properties and the possibility of forming strong bonds with almost all metals. The choice of manganese was made because is an abundant, low-toxic and inexpensive element.

Design of luminescent metal complexes for polymer science

The program of my PhD studies has been dealing with the investigation of the research outcomes that may result from the use of luminescent Iridium(III) cyclometalated complexes in the field of polymer science. In particular, my activity has been focused on exploring two main applicative contexts, i.e. Ir(III) complexes for preparing polymers and in combination with polymers. In the first part, a new set of luminescent Ir(III) complexes was exploited as photocatalysts for light-assisted atom transfer radical polymerization of methyl methacrylate. The decoration of both cyclometalated and ancillary ligands with sp3 hybridized nitrogen substituents together with the use of specific counterions, imparted suitable photophysical and redox properties for an efficient photocatalyzed process. The second part has been focused on the employment of Ir(III) tetrazole complexes as phosphorescent dyes in polymeric materials. Colourless luminescent solar concentrators were prepared blending two Ir(III) cyclometalates with acrylate polymers. Their performances were investigated, leading to promising outcomes comparable, or superior, to those obtained from colourless LSCs based on organic fluorophores. As a complementary approach, Ir(III) complexes were covalently linked to polymers in the side chain, to obtain a new class of metallopolymers. To this extent, a bifunctional tetrazolate molecule, equipped with a coordination site and a polymerizable unit, was designed. The photophysical properties of the resultant luminescent polymeric films were discussed. In the end, an additional project involving both polymers and metal compounds was carried out during my experience as a visiting PhD student at Humboldt – University of Berlin. Polystyrene and polyethylene glycol -based ion-exchange resins were functionalized with peptides through a ligation pathway, for the selective chelation of Copper(II) in aqueous solutions. The coordinating capability of the materials towards Cu2+ ions was tested by ICP-MS analysis. The resins strategically modified with ion-selective peptides, may be exploited in the preparation of water-processing devices.

An Isoflavone From Dipteryx Alata Vogel Is Active Against The In Vitro Neuromuscular Paralysis Of Bothrops Jararacussu Snake Venom And Bothropstoxin I, And Prevents Venom-induced Myonecrosis.

Snakebite is a neglected disease and serious health problem in Brazil, with most bites being caused by snakes of the genus Bothrops. Although serum therapy is the primary treatment for systemic envenomation, it is generally ineffective in neutralizing the local effects of these venoms. In this work, we examined the ability of 7,8,3'-trihydroxy-4'-methoxyisoflavone (TM), an isoflavone from Dipteryx alata, to neutralize the neurotoxicity (in mouse phrenic nerve-diaphragm preparations) and myotoxicity (assessed by light microscopy) of Bothrops jararacussu snake venom in vitro. The toxicity of TM was assessed using the Salmonella microsome assay (Ames test). Incubation with TM alone (200 μg/mL) did not alter the muscle twitch tension whereas incubation with venom (40 μg/mL) caused irreversible paralysis. Preincubation of TM (200 μg/mL) with venom attenuated the venom-induced neuromuscular blockade by 84% ± 5% (mean ± SEM; n = 4). The neuromuscular blockade caused by bothropstoxin-I (BthTX-I), the major myotoxic PLA2 of this venom, was also attenuated by TM. Histological analysis of diaphragm muscle incubated with TM showed that most fibers were preserved (only 9.2% ± 1.7% were damaged; n = 4) compared to venom alone (50.3% ± 5.4% of fibers damaged; n = 3), and preincubation of TM with venom significantly attenuated the venom-induced damage (only 17% ± 3.4% of fibers damaged; n = 3; p < 0.05 compared to venom alone). TM showed no mutagenicity in the Ames test using Salmonella strains TA98 and TA97a with (+S9) and without (-S9) metabolic activation. These findings indicate that TM is a potentially useful compound for antagonizing the neuromuscular effects (neurotoxicity and myotoxicity) of B. jararacussu venom.