Preferential location of lidocaine and etidocaine in lecithin bilayers as determined by EPR, fluorescence and H-2 NMR

We have examined the effect of the uncharged species of lidocaine (LDC) and etidocaine (EDC) on the acyl chain moiety of egg phosphatidylcholine liposomes. Changes in membrane organization caused by both anesthetics were detected through the use of EPR spin labels (5, 7 and 12 doxyl stearic acid methyl ester) or fluorescence probes (4, 6, 10, 16 pyrene-fatty acids). The disturbance caused by the LA was greater when the probes were inserted in more external positions of the acyl chain and decreased towards the hydrophobic core of the membrane. The results indicate a preferential insertion of LDC at the polar interface of the bilayer and in the first half of the acyl chain, for EDC. Additionally, 2 H NMR spectra of multilamellar liposomes composed by acyl chain-perdeutero DMPC and EPC (1:4 mol%) allowed the determination of the segmental order (S-mol) and dynamics (T-1) of the acyl chain region. In accordance to the fluorescence and EPR results, changes in molecular orientation and dynamics are more prominent if the LA preferential location is more superficial, as for LDC while EDC seems to organize the acyl chain region between carbons 2-8, which is indicative of its positioning. We propose that the preferential location of LDC and EDC inside the bilayers creates a "transient site", which is related to the anesthetic potency since it could modulate the access of these molecules to their binding site(s) in the voltage-gated sodium channel. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

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.

A THEORETICAL STUDY OF INTERACTION OF NANOPARTICLES WITH BIOMOLECULE

Many types of materials at nanoscale are currently being used in everyday life. The production and use of such products based on engineered nanomaterials have raised concerns of the possible risks and hazards associated with these nanomaterials. In order to evaluate and gain a better understanding of their effects on living organisms, we have performed first-principles quantum mechanical calculations and molecular dynamics simulations. Specifically, we will investigate the interaction of nanomaterials including semiconducting quantum dots and metallic nanoparticles with various biological molecules, such as dopamine, DNA nucleobases and lipid membranes. Firstly, interactions of semiconducting CdSe/CdS quantum dots (QDs) with the dopamine and the DNA nucleobase molecules are investigated using similar quantum mechanical approach to the one used for the metallic nanoparticles. A variety of interaction sites are explored. Our results show that small-sized Cd4Se4 and Cd4S4 QDs interact strongly with the DNA nucleobase if a DNA nucleobase has the amide or hydroxyl chemical group. These results indicate that these QDs are suitable for detecting subcellular structures, as also reported by experiments. The next two chapters describe a preparation required for the simulation of nanoparticles interacting with membranes leading to accurate structure models for the membranes. We develop a method for the molecular crystalline structure prediction of 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphorylcholine (DMPC), 1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphorylethanolamine (DMPE) and cyclic di-amino acid peptide using first-principles methods. Since an accurate determination of the structure of an organic crystal is usually an extremely difficult task due to availability of the large number of its conformers, we propose a new computational scheme by applying knowledge of symmetry, structural chemistry and chemical bonding to reduce the sampling size of the conformation space. The interaction of metal nanoparticles with cell membranes is finally carried out by molecular dynamics simulations, and the results are reported in the last chapter. A new force field is developed which accurately describes the interaction forces between the clusters representing small-sized metal nanoparticles and the lipid bilayer molecules. The permeation of nanoparticles into the cell membrane is analyzed together with the RMSD values of the membrane modeled by a lipid bilayer. The simulation results suggest that the AgNPs could cause the same amount of deformation as the AuNPs for the dysfunction of the membrane.

ELECTRON TRANSPORT IN LOW-DIMENSIONAL NANOSTRUCTURES - THEORETICAL STUDY WITH APPLICATION

Graphene as a carbon monolayer has attracted extensive research interest in recent years. My research work within the frame of density functional theory has suggested that positioning graphene in proximity to h-BN may induce a finite energy gap in graphene, which is important for device applications. For an AB-stacked graphene/BN bilayer, a finite gap is induced at the equilibrium configuration. This induced gap shows a linear relationship with the applied strain. For a graphene/BN/graphene trilayer, a negligible gap is predicted in the ground state due to the overall symmetry of the system. When an electric field is applied, a tunable gap can be obtained for both AAA and ABA stackings. Enhanced tunneling current in the AA-stacked bilayer nanoribbons is predicted compared to either single-layer or AB-stacked bilayer nanoribbons. Interlayer separation between the nanoribbons is shown to have a profound impact on the conducting features. The effect of boron or nitrogen doping on the electronic transport properties of C60 fullerene is studied. The BC59 fullerene exhibits a considerably higher current than the pristine or nitrogen doped fullerenes beyond the applied bias of 1 V, suggesting it can be an effective semiconductor in p-type devices. The interaction between nucleic acid bases - adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T) and uracil (U) - and a hydrogen-passivated silicon nanowire (SiNW) is investigated. The binding energy of the bases with the SiNW shows the order: G > A~C~T~U. This suggests that the interaction strength of a hydrogen passivated SiNW with the nucleic acid bases is nearly the same-G being an exception. The nature of the interaction is suggested to be electrostatic.

Manufacturing methods for liposome adjuvants

A wide range of studies have shown that liposomes can act as suitable adjuvants for a range of vaccine antigens. Properties such as their amphiphilic character and biphasic nature allow them to incorporate antigens within the lipid bilayer, on the surface, or encapsulated within the inner core. However, appropriate methods for the manufacture of liposomes are limited and this has resulted in issues with cost, supply, and wider scale application of these systems. Within this chapter we explore manufacturing processes that can be used for the production of liposomal adjuvants, and we outline new manufacturing methods can that offer fast, scalable, and cost-effective production of liposomal adjuvants.

Microfluidics based manufacture of liposomes simultaneously entrapping hydrophilic and lipophilic drugs

Despite the substantial body of research investigating the use of liposomes, niosomes and other bilayer vesicles for drug delivery, the translation of these systems into licensed products remains limited. Indeed, recent shortages in the supply of liposomal products demonstrate the need for new scalable production methods for liposomes. Therefore, the aim of our research has been to consider the application of microfluidics in the manufacture of liposomes containing either or both a water soluble and a lipid soluble drug to promote co-delivery of drugs. For the first time, we demonstrate the entrapment of a hydrophilic and a lipophilic drug (metformin and glipizide respectively) both individually, and in combination, using a scalable microfluidics manufacturing system. In terms of the operating parameters, the choice of solvents, lipid concentration and aqueous:solvent ratio all impact on liposome size with vesicle diameter ranging from ∼90 to 300 nm. In terms of drug loading, microfluidics production promoted high loading within ∼100 nm vesicles for both the water soluble drug (20–25% of initial amount added) and the bilayer embedded drug (40–42% of initial amount added) with co-loading of the drugs making no impact on entrapment efficacy. However, co-loading of glipizide and metformin within the same liposome formulation did impact on the drug release profiles; in both instances the presence of both drugs in the one formulation promoted faster (up to 2 fold) release compared to liposomes containing a single drug alone. Overall, these results demonstrate the application of microfluidics to prepare liposomal systems incorporating either or both an aqueous soluble drug and a bilayer loaded drug.

Environmental scanning electron microscope imaging of vesicle systems

The structural characteristics of liposomes have been widely investigated and there is certainly a strong understanding of their morphological characteristics. Imaging of these systems, using techniques such as freeze-fracturing methods, transmission electron microscopy, and cryo-electron imaging, has allowed us to appreciate their bilayer structures and factors which can influence this. However, there are few methods which all us to study these systems in their natural hydrated state; commonly the liposomes are visualized after drying, staining, and/or fixation of the vesicles. Environmental Scanning Electron Microscopy (ESEM) offers the ability to image a liposome in its hydrated state without the need for prior sample preparation. Within our studies we were the first to use ESEM to study liposomes and niosomes and we have been able to dynamically follow the hydration of lipid films and changes in liposome suspensions as water condenses on to, or evaporates from, the sample in real time. This provides insight into the resistance of liposomes to coalescence during dehydration, thereby providing an alternative assay of liposome formulation and stability.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

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.

Engineering interfacial silicon dioxide for improved metal-insulator-semiconductor silicon photoanode water splitting performance

Silicon photoanodes protected by atomic layer deposited (ALD) TiO2 show promise as components of water splitting devices that may enable the large-scale production of solar fuels and chemicals. Minimizing the resistance of the oxide corrosion protection layer is essential for fabricating efficient devices with good fill factor. Recent literature reports have shown that the interfacial SiO2 layer, interposed between the protective ALD-TiO2 and the Si anode, acts as a tunnel oxide that limits hole conduction from the photoabsorbing substrate to the surface oxygen evolution catalyst. Herein, we report a significant reduction of bilayer resistance, achieved by forming stable, ultrathin (<1.3 nm) SiO2 layers, allowing fabrication of water splitting photoanodes with hole conductances near the maximum achievable with the given catalyst and Si substrate. Three methods for controlling the SiO2 interlayer thickness on the Si(100) surface for ALD-TiO2 protected anodes were employed: (1) TiO2 deposition directly on an HF-etched Si(100) surface, (2) TiO2 deposition after SiO2 atomic layer deposition on an HF-etched Si(100) surface, and (3) oxygen scavenging, post-TiO2 deposition to decompose the SiO2 layer using a Ti overlayer. Each of these methods provides a progressively superior means of reliably thinning the interfacial SiO2 layer, enabling the fabrication of efficient and stable water oxidation silicon anodes.

Real-time quartz crystal microbalance monitoring of free docosahexaenoic acid interactions with supported lipid bilayers.

Docosahexaenoic acid (DHA) is the most abundant polyunsaturated omega-3 fatty acid found in mammalian neuronal cell membranes. Although DHA is known to be important for neuronal cell survival, little is know about how DHA interacts with phospholipid bilayers. This study presents a detailed quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) analysis of free DHA interactions with individual and mixed phospholipid supported lipid bilayers (SLB). DHA incorporation and subsequent changes to the SLBs viscoelastic properties were observed to be concentration-dependent, influenced by the phospholipid species, the headgroup charge, and the presence or absence of calcium ions. It was observed that 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) SLBs incorporated the greatest amount of DHA concentration, whereas the presence of phospholipids, phosphatidylserine (PS), and phosphatidylinositol (PI) in a POPC SLB significantly reduced DHA incorporation and changed the SLBs physicochemical properties. These observations are hypothesized to be due to a substitution event occurring between DHA and phospholipid species. PS domain formation in POPC/PS 8:2 SLBs was observed in the presence of calcium ions, which favored DHA incorporation to a similar level as for a POPC only SLB. The changes in SLB thickness observed with different DHA concentrations are also presented. This work contributes to an understanding of the physical changes induced in a lipid bilayer as a consequence of its exposure to different DHA concentrations (from 50 to 200 μM). The capacity of DHA to influence the physical properties of SLBs indicates the potential for dietary DHA supplementation to cause changes in cellular membranes in vivo, with subsequent physiological consequences for cell function.

Diphenylhexatriene membrane probes DPH and TMA-DPH: A comparative molecular dynamics simulation study

Fluorescence spectroscopy andmicroscopy have been utilized as tools in membrane biophysics for decades now. Because phospholipids are non-fluorescent, the use of extrinsic membrane probes in this context is commonplace. Among the latter, 1,6-diphenylhexatriene (DPH) and its trimethylammonium derivative (TMA-DPH) have been extensively used. It is widely believed that, owing to its additional charged group, TMA-DPH is anchored at the lipid/water interface and reports on a bilayer region that is distinct from that of the hydrophobic DPH. In this study, we employ atomistic MD simulations to characterize the behavior of DPH and TMA-DPH in 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) and POPC/cholesterol (4:1) bilayers. We show that although the dynamics of TMA-DPH in thesemembranes is noticeably more hindered than that of DPH, the location of the average fluorophore of TMA-DPH is only ~3–4 Å more shallow than that of DPH. The hindrance observed in the translational and rotational motions of TMA-DPH compared to DPH is mainly not due to significant differences in depth, but to the favorable electrostatic interactions of the former with electronegative lipid atoms instead. By revealing detailed insights on the behavior of these two probes, our results are useful both in the interpretation of past work and in the planning of future experiments using themasmembrane reporters.

Diphenylhexatriene membrane probes DPH and TMA-DPH: A comparative molecular dynamics simulation study

Fluorescence spectroscopy andmicroscopy have been utilized as tools in membrane biophysics for decades now. Because phospholipids are non-fluorescent, the use of extrinsic membrane probes in this context is commonplace. Among the latter, 1,6-diphenylhexatriene (DPH) and its trimethylammonium derivative (TMA-DPH) have been extensively used. It is widely believed that, owing to its additional charged group, TMA-DPH is anchored at the lipid/water interface and reports on a bilayer region that is distinct from that of the hydrophobic DPH. In this study, we employ atomistic MD simulations to characterize the behavior of DPH and TMA-DPH in 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) and POPC/cholesterol (4:1) bilayers. We show that although the dynamics of TMA-DPH in thesemembranes is noticeably more hindered than that of DPH, the location of the average fluorophore of TMA-DPH is only ~3–4 Å more shallow than that of DPH. The hindrance observed in the translational and rotational motions of TMA-DPH compared to DPH is mainly not due to significant differences in depth, but to the favorable electrostatic interactions of the former with electronegative lipid atoms instead. By revealing detailed insights on the behavior of these two probes, our results are useful both in the interpretation of past work and in the planning of future experiments using themasmembrane reporters.