Role of membrane lipids in the regulation of erythrocytic oxygen-transport function in cardiovascular diseases

The composition and condition of membrane lipids, the morphology of erythrocytes, and hemoglobin distribution were explored with the help of laser interference microscopy (LIM) and Raman spectroscopy. It is shown that patients with cardiovascular diseases (CVD) have significant changes in the composition of their phospholipids and the fatty acids of membrane lipids. Furthermore, the microviscosity of the membranes and morphology of the erythrocytes are altered causing disordered oxygen transport by hemoglobin. Basic therapy carried out with the use of antiaggregants, statins, antianginals, beta-blockers, and calcium antagonists does not help to recover themorphofunctional properties of erythrocytes. Based on the results the authors assume that, for the relief of the ischemic crisis and further therapeutic treatment, it is necessary to include, in addition to cardiovascular disease medicines, medication that increases the ability of erythrocytes’ hemoglobin to transport oxygen to the tissues. We assume that the use of LIM and Raman spectroscopy is advisable for early diagnosis of changes in the structure and functional state of erythrocytes when cardiovascular diseases develop.

Influence of one selected Tisochrysis lutea strain rich in lipids on Crassostrea gigas larval development and biochemical composition

Effects of a remarkably high overall lipid Tisochrysis lutea strain (T+) upon gross biochemical composition, fatty acid (FA), sterol and lipid class composition of Crassostrea gigas larvae were evaluated and compared with a normal strain of Tisochrysis lutea (T) and the diatom Chaetoceros neogracile (Cg). In a first experiment, the influence of different single diets (T, T+ and Cg) and a bispecific diet (TCg) was studied, whereas, effects of monospecific diets (T and T+) and bispecific diets (TCg and T+Cg) were evaluated in a second experiment. The strain T+ was very rich in triglycerides (TAG: 93–95% of total neutral lipids), saturated FA (45%), monounsaturated FA (31–33%) and total fatty acids (4.0–4.7 pg cell−1). Larval oyster survival and growth rate were positively correlated with 18:1n-7 and 20:1n-7, in storage lipids (SL), and negatively related to 14:0, 18:1n-9, 20:1n-9, 20:4n-6 and trans-22-dehydrocholesterol in membrane lipids (ML). Surprisingly, only the essential fatty acid 20:5n-3 in SL was correlated positively with larval survival. Correlations suggest that physiological disruption by overabundance of TAG, FFA and certain fatty acids in larvae fed T+ was largely responsible for the poor performance of these larvae. ‘High-lipid’ strains of microalgae, without regard to qualitative lipid composition, do not always improve bivalve larval performance.

Novas estratégias para entender o sistema de influxo de antibióticos e a resistência antimicrobiana a nível molecular

As fluoroquinolonas são antibióticos que têm um largo espectro de ação contra bactérias, especialmente Gram-negativas. O seu mecanismo de ação assenta na inibição de enzimas responsáveis pela replicação do DNA. Porém, devido ao seu uso indevido, o surgimento de resistência bacteriana a estes antibióticos tem-se tornado um grave problema de saúde pública. Uma vez que os seus alvos de ação se situam no meio intracelular, a redução da permeabilidade da membrana externa de bactérias Gram-negativas constitui um dos mecanismos de resistência mais conhecidos. Esta redução é associada à baixa expressão ou mutações em porinas necessárias para permitir o seu transporte, mais concretamente, da OmpF. Estudos prévios demonstraram que a coordenação de fluoroquinolonas com iões metálicos divalentes e 1,10-fenantrolina (genericamente designados metaloantibióticos) são potenciais candidatos como alternativa às fluoroquinolonas convencionais. Estes metaloantibióticos exibem um efeito antimicrobiano comparável ou superior à fluoroquinolona na forma livre, mas parecem ter uma via de translocação diferente, independente de porinas. Estas diferenças no mecanismo de captura podem ser fundamentais para contornar a resistência bacteriana. De forma a compreender o papel dos lípidos no mecanismo de entrada dos metaloantibióticos, estudou-se a interação e localização dos metaloantibióticos da Ciprofloxacina (2ª geração), da Levofloxacina (3ª geração) e Moxifloxacina (4ª geração) com um modelo de membranas de Escherichia coli desprovido de porinas. Estes estudos foram realizados através de técnicas de espectroscopia de fluorescência, por medições em modo estacionário e resolvida no tempo. Os coeficientes de partição determinados demonstraram uma interação mais elevada dos metaloantibióticos relativamente às respetivas fluoroquinolonas na forma livre, um facto que está diretamente relacionado com as espécies existentes em solução a pH fisiológico. Os estudos de localização mostraram que estes metaloantibióticos devem estar inseridos na membrana bacteriana, confirmando a sua entrada independente de porinas. Este mecanismo de entrada, pela via hidrofóbica, é potenciado por interações eletrostáticas entre as espécies catiónicas de metaloantibiótico que existem a pH 7,4 e os grupos carregados negativamente dos fosfolípidos da membrana. Desta forma, os resultados obtidos neste estudo sugerem que a via de entrada dos metaloantibióticos e das respetivas fluoroquinolonas deve ser diferente. Os metaloantibióticos são candidatos adequados para a realização de mais testes laboratoriais e uma alternativa promissora para substituir as fluoroquinolonas convencionais, uma vez que parecem ultrapassar um dos principais mecanismos de resistência bacteriana a esta classe de antibióticos.

Coarse Graining to Invesitigate Peptide-Lipid Interactions

Experimental characterization of molecular details is challenging, and although single molecule experiments have gained prominence, oligomer characterization remains largely unexplored. The ability to monitor the time evolution of individual molecules while they self assemble is essential in providing mechanistic insights about biological events. Molecular dynamics (MD) simulations can fill the gap in knowledge between single molecule experiments and ensemble studies like NMR, and are increasingly used to gain a better understanding of microscopic properties. Coarse-grained (CG) models aid in both exploring longer length and time scale molecular phenomena, and narrowing down the key interactions responsible for significant system characteristics. Over the past decade, CG techniques have made a significant impact in understanding physicochemical processes. However, the realm of peptide-lipid interfacial interactions, primarily binding, partitioning and folding of amphipathic peptides, remains largely unexplored compared to peptide folding in solution. The main drawback of existing CG models is the inability to capture environmentally sensitive changes in dipolar interactions, which are indigenous to protein folding, and lipid dynamics. We have used the Drude oscillator approach to incorporate structural polarization and dipolar interactions in CG beads to develop a minimalistic peptide model, WEPPROM (Water Explicit Polarizable PROtein Model), and a lipid model WEPMEM (Water Explicit Polarizable MEmbrane Model). The addition of backbone dipolar interactions in a CG model for peptides enabled us to achieve alpha-beta secondary structure content de novo, without any added bias. As a prelude to studying amphipathic peptide-lipid membrane interactions, the balance between hydrophobicity and backbone dipolar interactions in driving ordered peptide aggregation in water and at a hydrophobic-hydrophilic interface, was explored. We found that backbone dipole interactions play a crucial role in driving ordered peptide aggregation, both in water and at hydrophobic-hydrophilic interfaces; while hydrophobicity is more relevant for aggregation in water. A zwitterionic (POPC: 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) and an anionic lipid (POPS: 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine) are used as model lipids for WEPMEM. The addition of head group dipolar interactions in lipids significantly improved structural, dynamic and dielectric properties of the model bilayer. Using WEPMEM and WEPPROM, we studied membrane-induced peptide folding of a cationic antimicrobial peptide with anticancer activity, SVS-1. We found that membrane-induced peptide folding is driven by both (a) cooperativity in peptide self interaction and (b) cooperativity in membrane-peptide interactions. The dipolar interactions between the peptide and the lipid head-groups contribute to stabilizing folded conformations. The role of monovalent ion size and peptide concentration in driving lipid domain formation in anionic/zwitterionic lipid mixtures was also investigated. Our study suggest monovalent ion size to be a crucial determinant of interaction with lipid head groups, and hence domain formation in lipid mixtures. This study reinforces the role of dipole interactions in protein folding, lipid membrane properties, membrane induced peptide folding and lipid domain formation. Therefore, the models developed in this thesis can be used to explore a multitude of biomolecular processes, both at longer time-scales and larger system sizes.

Valorisation of fish-cannery by-products targeting the recovery of ω3 lipids

Over the past years, ω3 fatty acids, namely EPA and DHA, have been recognized as presenting multiple health benefits. Several studies consider fish oil as the most important source of EPA and DHA. Nowadays, canned fish industry plays a very important role in Portuguese economy. However, expansion of this business brought some environmental concerns due to the high amount of by-products generated. Nevertheless, this problem can be substantially reduced by the recovery of some of the by-product components, diminishing its contamination load and simultaneously obtaining value-added products. This study was born from the growing interest in obtaining new sources of lipids rich in ω3 fatty acids, combined with environmental concerns related to the production of wastes from the fish canning industries, rich in these compounds. It thus intends to evaluate lipid extraction methods in liquid by-products from the fish canning industry, aiming to obtain fractions rich in ω3 fatty acids. Additionally, in a biorefining concept, the protein content of the remaining aqueous fractions was also quantified.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Induction of Microalgal Lipids for Biodiesel Production in Tandem with Sequestration of High Carbon Dioxide Concentration

There is no doubt that sufficient energy supply is indispensable for the fulfillment of our fossil fuel crises in a stainable fashion. There have been many attempts in deriving biodiesel fuel from different bioenergy crops including corn, canola, soybean, palm, sugar cane and vegetable oil. However, there are some significant challenges, including depleting feedstock supplies, land use change impacts and food use competition, which lead to high prices and inability to completely displace fossil fuel [1-2]. In recent years, use of microalgae as an alternative biodiesel feedstock has gained renewed interest as these fuels are becoming increasingly economically viable, renewable, and carbon-neutral energy sources. One reason for this renewed interest derives from its promising growth giving it the ability to meet global transport fuel demand constraints with fewer energy supplies without compromising the global food supply. In this study, Chlorella protothecoides microalgae were cultivated under different conditions to produce high-yield biomass with high lipid content which would be converted into biodiesel fuel in tandem with the mitigation of high carbon dioxide concentration. The effects of CO2 using atmospheric and 15% CO2 concentration and light intensity of 35 and 140 µmol m-2s-1 on the microalgae growth and lipid induction were studied. The approach used was to culture microalgal Chlorella protothecoides with inoculation of 1×105 cells/ml in a 250-ml Erlenmeyer flask, irradiated with cool white fluorescent light at ambient temperature. Using these conditions we were able to determine the most suitable operating conditions for cultivating the green microalgae to produce high biomass and lipids. Nile red dye was used as a hydrophobic fluorescent probe to detect the induced intracellular lipids. Also, gas chromatograph mass spectroscopy was used to determine the CO2 concentrations in each culture flask using the closed continuous loop system. The goal was to study how the 15% CO2 concentration was being used up by the microalgae during cultivation. The results show that the condition of high light intensity of 140 µmol m-2s-1 with 15% CO2 concentration obtain high cell concentration of 7 x 105 cells mL-1 after culturing Chlorella protothecoides for 9 to 10 day in both open and closed systems respectively. Higher lipid content was estimated as indicated by fluorescence intensity with 1.3 to 2.5 times CO2 reduction emitted by power plants. The particle size of Chlorella protothecoides increased as well due to induction of lipid accumulation by the cells when culture under these condition (140 µmol m-2s-1 with 15% CO2 concentration).

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Fluorescence of nitrobenzoxadiazole (NBD)-labeled lipids in model membranes is connected not to lipid mobility but to probe location

Nitrobenzoxadiazole (NBD)-labeled lipids are popular fluorescent membrane probes. However, the understanding of important aspects of the photophysics of NBD remains incomplete, including the observed shift in the emission spectrum of NBD-lipids to longer wavelengths following excitation at the red edge of the absorption spectrum (red-edge excitation shift or REES). REES of NBD-lipids in membrane environments has been previously interpreted as reflecting restricted mobility of solvent surrounding the fluorophore. However, this requires a large change in the dipole moment (Dm) of NBD upon excitation. Previous calculations of the value of Dm of NBD in the literature have been carried out using outdated semi-empirical methods, leading to conflicting values. Using up-to-date density functional theory methods, we recalculated the value of Dm and verified that it is rather small (B2 D). Fluorescence measurements confirmed that the value of REES is B16 nm for 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3- phospho-L-serine-N-(NBD) (NBD-PS) in dioleoylphosphatidylcholine vesicles. However, the observed shift is independent of both the temperature and the presence of cholesterol and is therefore insensitive to the mobility and hydration of the membrane. Moreover, red-edge excitation leads to an increased contribution of the decay component with a shorter lifetime, whereas time-resolved emission spectra of NBD-PS displayed an atypical blue shift following excitation. This excludes restrictions to solvent relaxation as the cause of the measured REES and TRES of NBD, pointing instead to the heterogeneous transverse location of probes as the origin of these effects. The latter hypothesis was confirmed by molecular dynamics simulations, from which the calculated heterogeneity of the hydration and location of NBD correlated with the measured fluorescence lifetimes/REES. Globally, our combination of theoretical and experiment-based techniques has led to a considerably improved understanding of the photophysics of NBD and a reinterpretation of its REES in particular.

Cholesterol-lowering management of stroke : inconsistencies of evidence and practice

Cholesterol-lowering treatment by statins is an important and costly issue; however, its role in stroke has not been well documented. The aim of the present study was to review literature and current practice regarding cholesterol-lowering treatment for stroke patients. A literature review was conducted on lipids in stroke and their management with both statins and diet, including the cost-effectiveness of medical nutrition therapy. Qualifying criteria and prescription procedures of the Pharmaceutical Benefits Scheme (PBS) were also reviewed. Data on lipid levels and statin prescriptions were analysed for 468 patients admitted to a stroke unit. The literature shows that management with both medication and diet can be effective, especially when combined; however, 60% of patients with an ischaemic event had fasting total cholesterol measures ≥4 mmol/L (n = 231), with only 52% prescribed statins on discharge (n = 120). Hypercholesterolaemia is an underdiagnosed and undertreated risk factor within the stroke population. It appears that the PBS has not kept pace with advances in the evidence in terms of statin use in the stroke population, and review is needed. The present review should address the qualifying criteria for the stroke population and recommendations on referral to dietitians for dietary advice. Cholesterol-lowering treatment for both stroke patients and the wider population is an area that needs awareness raising and review by the PBS, medical practitioners and dietitians. The role of dietary and pharmacological treatments needs to be clearly defined, including adjunct therapy, and the cost-effectiveness of medical nutrition therapy realised.

Metabolic syndrome and serum carotenoids : findings of a cross-sectional study in Queensland, Australia

Several components of the metabolic syndrome, particularly diabetes and cardiovascular disease, are known to be oxidative stress-related conditions and there is research to suggest that antioxidant nutrients may play a protective role in these conditions. Carotenoids are compounds derived primarily from plants and several have been shown to be potent antioxidant nutrients. The aim of this study was to examine the associations between metabolic syndrome status and major serum carotenoids in adult Australians. Data on the presence of the metabolic syndrome, based on International Diabetes Federation 2005 criteria, were collected from 1523 adults aged 25 years and over in six randomly selected urban centers in Queensland, Australia, using a cross-sectional study design. Weight, height, BMI, waist circumference, blood pressure, fasting and 2-hour blood glucose and lipids were determined, as well as five serum carotenoids. Mean serum alpha-carotene, beta-carotene and the sum of the five carotenoid concentrations were significantly lower (p<0.05) in persons with the metabolic syndrome (after adjusting for age, sex, education, BMI status, alcohol intake, smoking, physical activity status and vitamin/mineral use) than persons without the syndrome. Alpha, beta and total carotenoids also decreased significantly (p<0.05) with increased number of components of the metabolic syndrome, after adjusting for these confounders. These differences were significant among former smokers and non-smokers, but not in current smokers. Low concentrations of serum alpha-carotene, beta-carotene and the sum of five carotenoids appear to be associated with metabolic syndrome status. Additional research, particularly longitudinal studies, may help to determine if these associations are causally related to the metabolic syndrome, or are a result of the pathologies of the syndrome.