Molecular modelling of ABC transporters: from ATP hydrolysis to substrate transport

Dissertação para a obtenção de grau de doutor em Bioquímica pelo Instituto de Tecnologia Química e Biológica da Universidade Nova de Lisboa

Extension and patterning of the vertebrate body

Dissertation presented to obrain the Ph.D degree in Biology. Developmental Biology

Coordinating development: uncovering the mechanisms that coordinate organ growth and patterning with the development of the whole body

Organisms produce correctly patterned structures across a wide range of organ and body sizes. Despite considerable work revealing the mechanisms that regulate the growth and patterning of organs, those responsible for coordinating organ development with whole-body development are still largely unknown.(...)

PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE 1 is a phototropin 1 binding protein required for phototropism.

Phototropism, or plant growth in response to unidirectional light, is an adaptive response of crucial importance. Lateral differences in low fluence rates of blue light are detected by phototropin 1 (phot1) in Arabidopsis. Only NONPHOTOTROPIC HYPOCOTYL 3 (NPH3) and root phototropism 2, both belonging to the same family of proteins, have been previously identified as phototropin-interacting signal transducers involved in phototropism. PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE (PKS) 1 and PKS2 are two phytochrome signaling components belonging to a small gene family in Arabidopsis (PKS1-PKS4). The strong enhancement of PKS1 expression by blue light and its light induction in the elongation zone of the hypocotyl prompted us to study the function of this gene family during phototropism. Photobiological experiments show that the PKS proteins are critical for hypocotyl phototropism. Furthermore, PKS1 interacts with phot1 and NPH3 in vivo at the plasma membrane and in vitro, indicating that the PKS proteins may function directly with phot1 and NPH3 to mediate phototropism. The phytochromes are known to influence phototropism but the mechanism involved is still unclear. We show that PKS1 induction by a pulse of blue light is phytochrome A-dependent, suggesting that the PKS proteins may provide a molecular link between these two photoreceptor families.

Phytochrome Kinase Substrate 4 is phosphorylated by the phototropin 1 photoreceptor.

Phototropism allows plants to redirect their growth towards the light to optimize photosynthesis under reduced light conditions. Phototropin 1 (phot1) is the primary low blue light-sensing receptor triggering phototropism in Arabidopsis. Light-induced autophosphorylation of phot1, an AGC-class protein kinase, constitutes an essential step for phototropism. However, apart from the receptor itself, substrates of phot1 kinase activity are less clearly established. Phototropism is also influenced by the cryptochromes and phytochromes photoreceptors that do not provide directional information but influence the process through incompletely characterized mechanisms. Here, we show that Phytochrome Kinase Substrate 4 (PKS4), a known element of phot1 signalling, is a substrate of phot1 kinase activity in vitro that is phosphorylated in a phot1-dependent manner in vivo. PKS4 phosphorylation is transient and regulated by a type 2-protein phosphatase. Moreover, phytochromes repress the accumulation of the light-induced phosphorylated form of PKS4 showing a convergence of photoreceptor activity on this signalling element. Our physiological analyses suggest that PKS4 phosphorylation is not essential for phototropism but is part of a negative feedback mechanism.

Triarylamminium radical-cation complexes: design and magnetic properties and Base-catalyzed hydrosilylation: mechanism and substrate scope

1. Triarylamminium radical-cation complexes. The detailed study of manganese, copper and nickel metal-radical complexes with triarylamminium ligands was conducted. Stable, neutral and pseudo-octahedral coordination monometallic complexes with simple monodentate 2,2`-bipyridine ligand containing a redox-active N,N`-(4,4`-dimethoxydiphenyl-amino) substituent were synthesized and fully characterized. The one-electron oxidation process and formation of persistent radical-cation complexes was observed by cyclic voltammetry and spectroelectrochemical measurements. Evans method measurements were performed with radical-cation complexes generated by chemical one-electron oxidation with NOPF6 in acetonitrile. The experimental results indicate ferromagnetic coupling between metal and triarylamminium cation in manganese (II) complex and antiferromagnetic coupling in nickel (II) complex. This data is supported by DFT calculations which also lend weight to the  spin polarization mechanism as an operative model for magnetic exchange coupling. Neutral bimetallic complexes with a new ditopic ligand were synthesized and fully characterized, including magnetic and electrochemical studies. Chemical oxidation of these precursor complexes did not generate radical-cations, but dicationic complexes, which was confirmed by UV-vis and EPR-experiments, as well as varied temperature magnetic measurements. DFT calculations for radical-cation complexes are included. A synthetic pathway for polytopic ligand with multiple redox-active triarylamine sites was developed. The structure of the ligand is presumably suitable for -spin polarization exchange model and allows for production of polymetallic complexes having high spin ground states. 2. Base-catalyzed hydrosilylation. A simple reductive base-catalyzed hydrosilation of aldehydes and ketones was adapted to the use of the cheap, safe, and non-toxic polymethylhydrosiloxane (PMHS) instead of the common PhSiH3 and (EtO)3SiH, which present significant cost and safety concerns, respectively. The conversion of silane into pentacoordinate silicate species upon addition of a base was studied in details for the cases of phenyl silane and PMHS and is believed to be essential for the hydrosilylation process. We discovered that nucleophiles (a base or fluoride-anion) induced the rearrangement of PMHS and TMDS into light silanes: MeSiH3 and Me2SiH2, respectively. The reductive properties of PMHS under basic conditions can be attributed to the formation of methyl silane and its conversion into a silicate species. A procedure for the generation of methyl silane and its use in further efficient reductions of aldehydes and ketones has been developed. The protocol was extended to the selective reduction of esters and tertiary amides into alcohols and aldimines into amines with good isolated yields and reduction of heterocyclic compounds was attempted.

Nanopatterning and functionalization of phospholipid-based Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer films

Durant les dernières décennies, la technique Langmuir-Blodgett (LB) s’est beaucoup développée dans l’approche « bottom-up » pour la création de couches ultra minces nanostructurées. Des patrons constitués de stries parallèles d’environ 100 à 200 nm de largeur ont été générés avec la technique de déposition LB de monocouches mixtes de 1,2-dilauroyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DLPC) et de 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DPPC) sur des substrats de silicium et de mica. Afin d’amplifier la fonctionnalité de ces patrons, la 1-palmitoyl-2-(16-(S-methyldithio)hexadécanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDPPC) et la 1-lauroyl-2-(12-(S-methyldithio)dodédecanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDLPC) ont été employées pour la préparation de monocouches chimiquement hétérogènes. Ces analogues de phospholipide possèdent un groupement fonctionnel méthyldisulfide qui est attaché à la fin de l’une des chaînes alkyles. Une étude exhaustive sur la structure de la phase des monocouches Langmuir, Langmuir-Schaefer (LS) et LB de la DSDPPC et de la DSDLPC et leurs différents mélanges avec la DPPC ou la DLPC est présentée dans cette thèse. Tout d’abord, un contrôle limité de la périodicité et de la taille des motifs des stries parallèles de DPPC/DLPC a été obtenu en variant la composition lipidique, la pression de surface et la vitesse de déposition. Dans un mélange binaire de fraction molaire plus grande de lipide condensé que de lipide étendu, une vitesse de déposition plus lente et une plus basse pression de surface ont généré des stries plus continues et larges. L’addition d’un tensioactif, le cholestérol, au mélange binaire équimolaire de la DPPC/DLPC a permis la formation de stries parallèles à de plus hautes pressions de surface. La caractérisation des propriétés physiques des analogues de phospholipides a été nécessaire. La température de transition de phase de la DSDPPC de 44.5 ± 1.5 °C comparativement à 41.5 ± 0.3 °C pour la DPPC. L’isotherme de la DSDPPC est semblable à celui de la DPPC. La monocouche subit une transition de phase liquide-étendue-à-condensée (LE-C) à une pression de surface légèrement supérieure à celle de la DPPC (6 mN m-1 vs. 4 mN m-1) Tout comme la DLPC, la DSDLPC demeure dans la phase LE jusqu’à la rupture de la monocouche. Ces analogues de phospholipide existent dans un état plus étendu tout au long de la compression de la monocouche et montrent des pressions de surface de rupture plus basses que les phospholipides non-modifiés. La morphologie des domaines de monocouches Langmuir de la DPPC et de la DSDPPC à l’interface eau/air a été comparée par la microscopie à angle de Brewster (BAM). La DPPC forme une monocouche homogène à une pression de surface (π) > 10 mN/m, alors que des domaines en forme de fleurs sont formés dans la monocouche de DSDPPC jusqu’à une π ~ 30 mN m-1. La caractérisation de monocouches sur substrat solide a permis de démontrer que le patron de stries parallèles préalablement obtenu avec la DPPC/DLPC était reproduit en utilisant des mélanges de la DSDPPC/DLPC ou de la DPPC/DSDLPC donnant ainsi lieu à des patrons chimiquement hétérogènes. En général, pour obtenir le même état de phase que la DPPC, la monocouche de DSDPPC doit être comprimée à de plus hautes pressions de surface. Le groupement disulfide de ces analogues de phospholipide a été exploité, afin de (i) former des monocouches auto-assemblées sur l’or et de (ii) démontrer la métallisation sélective des terminaisons fonctionnalisées des stries. La spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) a confirmé que la monocouche modifiée réagit avec la vapeur d’or pour former des thiolates d’or. L’adsorption de l’Au, de l’Ag et du Cu thermiquement évaporé démontre une adsorption préférentielle de la vapeur de métal sur la phase fonctionnalisée de disulfide seulement à des recouvrements sub-monocouche.

Développement et caractérisation d’une méthode photonique pour créer des distributions spatiales de protéines

Les cellules sont capables de détecter les distributions spatiales de protéines et ainsi de migrer ou s’étendre dans la direction appropriée. Une compréhension de la réponse cellulaire aux modifications de ces distributions spatiales de protéines est essentielle pour l’avancement des connaissances dans plusieurs domaines de recherches tels que le développement, l’immunologie ou l’oncologie. Un exemple particulièrement complexe est le guidage d’axones se déroulant pendant le développement du système nerveux. Ce dernier nécessite la présence de plusieurs distributions de molécules de guidages étant attractives ou répulsives pour connecter correctement ce réseau complexe qu’est le système nerveux. Puisque plusieurs indices de guidage collaborent, il est particulièrement difficile d’identifier la contribution individuelle ou la voie de signalisation qui est déclenchée in vivo, il est donc nécessaire d’utiliser des méthodes pour reproduire ces distributions de protéines in vitro. Plusieurs méthodes existent pour produire des gradients de protéines solubles ou liées aux substrats. Quelques méthodes pour produire des gradients solubles sont déjà couramment utilisées dans plusieurs laboratoires, mais elles limitent l’étude aux distributions de protéines qui sont normalement sécrétées in vivo. Les méthodes permettant de produire des distributions liées au substrat sont particulièrement complexes, ce qui restreint leur utilisation à quelques laboratoires. Premièrement, nous présentons une méthode simple qui exploite le photoblanchiment de molécules fluorescentes pour créer des motifs de protéines liées au substrat : Laser-assisted protein adsorption by photobleaching (LAPAP). Cette méthode permet de produire des motifs de protéines complexes d’une résolution micrométrique et d’une grande portée dynamique. Une caractérisation de la technique a été faite et en tant que preuve de fonctionnalité, des axones de neurones du ganglion spinal ont été guidés sur des gradients d’un peptide provenant de la laminine. Deuxièmement, LAPAP a été amélioré de manière à pouvoir fabriquer des motifs avec plusieurs composantes grâce à l’utilisation de lasers à différentes longueurs d’onde et d’anticorps conjugués à des fluorophores correspondants à ces longueurs d’onde. De plus, pour accélérer et simplifier le processus de fabrication, nous avons développé LAPAP à illumination à champ large qui utilise un modulateur spatial de lumière, une diode électroluminescente et un microscope standard pour imprimer directement un motif de protéines. Cette méthode est particulièrement simple comparativement à la version originale de LAPAP puisqu’elle n’implique pas le contrôle de la puissance laser et de platines motorisées, mais seulement d’envoyer l’image du motif désiré au modulateur spatial. Finalement, nous avons utilisé LAPAP pour démontrer que notre technique peut être utilisée dans des analyses de haut contenu pour quantifier les changements morphologiques résultant de la croissance neuronale sur des gradients de protéines de guidage. Nous avons produit des milliers de gradients de laminin-1 ayant différentes pentes et analysé les variations au niveau du guidage de neurites provenant d’une lignée cellulaire neuronale (RGC-5). Un algorithme pour analyser les images des cellules sur les gradients a été développé pour détecter chaque cellule et quantifier la position du centroïde du soma ainsi que les angles d’initiation, final et de braquage de chaque neurite. Ces données ont démontré que les gradients de laminine influencent l’angle d’initiation des neurites des RGC-5, mais n’influencent pas leur braquage. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse faciliteront l’utilisation de motifs de protéines liées au substrat dans les laboratoires des sciences de la vie, puisque LAPAP peut être effectué à l’aide d’un microscope confocal ou d’un microscope standard légèrement modifié. Cela pourrait contribuer à l’augmentation du nombre de laboratoires travaillant sur le guidage avec des gradients liés au substrat afin d’atteindre la masse critique nécessaire à des percées majeures en neuroscience.

New insights into the substrate specificities of microbial transglutaminase: a biocatalytic perspective

La transglutaminase microbienne (Microbial transglutaminase : MTG) est fortement exploitée dans l’industrie textile et alimentaire afin de modifier l’apparence et la texture de divers produits. Elle catalyse la formation de liaisons iso-peptidiques entre des protéines par l’entremise d’une réaction de transfert d’acyle entre le groupement γ-carboxamide d’une glutamine provenant d’un substrat donneur d’acyle, et le groupement ε-amino d’une lysine provenant d’un substrat accepteur d’acyle. La MTG est tolérante à un large éventail de conditions réactionnelles, ce qui rend propice le développement de cette enzyme en tant que biocatalyseur. Ayant pour but le développement de la MTG en tant qu’alternative plus soutenable à la synthèse d’amides, nous avons étudié la réactivité d’une gamme de substrats donneurs et accepteurs non-naturels. Des composés chimiquement diversifiés, de faible masse moléculaire, ont été testés en tant que substrats accepteurs alternatifs. Il fut démontré que la MTG accepte une large gamme de composés à cet effet. Nous avons démontré, pour la première fois, que des acides aminés non-ramifiés et courts, tels la glycine, peuvent servir de substrat accepteur. Les α-acides aminés estérifiés Thr, Ser, Cys et Trp, mais pas Ile, sont également réactifs. En étendant la recherche à des composés non-naturels, il fut observé qu’un cycle aromatique est bénéfique pour la réactivité, bien que les substituants réduisent l’activité. Fait notable, des amines de faible masse moléculaire, portant les groupements de forte densité électronique azidure ou alcyne, sont très réactives. La MTG catalyse donc efficacement la modification de peptides qui pourront ensuite être modifiés ou marqués par la chimie ‘click’. Ainsi, la MTG accepte une variété de substrats accepteurs naturels et non-naturels, élargissant la portée de modification des peptides contenant la glutamine. Afin de sonder le potentiel biocatalytique de la MTG par rapport aux substrats donneurs, des analogues plus petits du peptide modèle Z-Gln-Gly furent testés; aucun n’a réagi. Nous avons toutefois démontré, pour la première fois, la faible réactivité d’esters en tant que substrats donneurs de la MTG. L’éventuelle amélioration de cette réactivité permettrait de faire de la MTG un biocatalyseur plus général pour la synthèse d’amides. Mots clés: Lien amide, biocatalyse, biotransformation, transglutaminase, arrimage moléculaire, criblage de substrats, ingénierie de substrats.

Effect of Substrate Temperature on the Structural and Luminescent Characteristics of RF-Magnetron-Sputtered ZnGa2O4:Dy3+ Thin Films

ZnGa2O4:Dy3+ phosphor thin films were deposited on quartz substrates by radio frequency rf magnetron sputtering and the effect of substrate temperature on its structural and luminescent properties was investigated. Polycrystalline film could be deposited even at room temperature. The crystalline behavior, Zn/Ga ratio, and surface morphology of the films were found to be highly sensitive to substrate temperature. Under UV illumination, the as-deposited films at and above 300°C gave white luminescence even without any postdeposition treatments. The photoluminescent PL emission can be attributed to the combined effect of multicolor emissions from the single luminescence center Dy3+ via host-sensitization. Maximum PL emission intensity was observed for the film deposited at 600°C, and the CIE chromaticity coordinates of the emission were determined to be x,y = 0.34, 0.31 .

Tunnel-Based Artificial Neural Network Technique to Calculate the Resonant Frequency of a Thick-Substrate Microstrip Antenna

The mathematical formulation of empirically developed formulas Jirr the calculation of the resonant frequency of a thick-substrate (h s 0.08151 A,,) microstrip antenna has been analyzed. With the use qt' tunnel-based artificial neural networks (ANNs), the resonant frequency of antennas with h satisfying the thick-substrate condition are calculated and compared with the existing experimental results and also with the simulation results obtained with the use of an IE3D software package. The artificial neural network results are in very good agreement with the experimental results

Temperature Stable Low Loss Ceramic Dielectrics in (1-x)ZnAI2O4-xTiO2 System for Microwave Substrate Applications

The microwave dielectric properties of ZnAl2O4 spinels were investigated and their properties were tailored by adding different mole fractions of Ti02. The samples were synthesized using the mixed oxide rout.e. The phase purity and crystal structure were identified using X-ray diffraction technique. The sintered specimens were characterized in the microwave frequency range (3-13 GHz). The ZnA12O4 ceramics exhibited interesting dielectric properties (dielectric constant (e,.) = 8.5, unloaded quality factor (Q.) = 4590 at 12.27 GHz and temperature coefficient of resonant frequency (Tf) = -79 ppm/°C). Addition of Ti02 into the spinel improved its properties and the Tf approached zero for 0.83ZnAl2O4- 0.17TiO2• This temperature compensated composition has excellent microwave dielectric properties (Cr _ 12.67, Q, = 9950 at 10.075 GHz) which can be exploited for microwave substrate applications