Hydrochemical and stable isotopes (H, O, S) signatures in deep groundwaters of Parana basin, Brazil

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Electrochemically activated coordenative assembly of a triruthenium cluster metallopolymer

A general strategy for electrochemically induced assembly of coordination metallopolymers is demonstrated using the tritopic bridging [Ru-3(mu(3)-O)(CH3COO)(6)(pytpy)(3)](+) cluster complex, where pytpy is the 4'-(4-pyridyl)-2,2':6',2 ''-terpyridine ligand, and iron(III) ions. The concept of such an electrochemically induced coordinative assembly was proven exploring the large difference in the [Fe(pytpy)2 complex formation constants depending on the iron ion oxidation state. Much more stable bridging complexes are formed in the presence of Fe(II) in contrast to Fe(III) ions. The build-up of electrochemically active films on FTO electrodes was confirmed by the growth of the corresponding voltammetric peaks concomitantly with the rise of typical triruthenium cluster and [Fe(pytpy)(2)](2+) complex absorption bands. The metallopolymer was constituted by agglomerates of more or less fused tape like structures, exhibiting large voids and pinholes, as revealed by SEM and AFM images. The adhesion/deposition on FTO was improved by functionalizing the surface with TES-tpy and HOOC-tpy, which increased the surface coverage up to 80%, as estimated by impedance spectroscopy. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Habitat alteration and community-level effects of an invasive ecosystem engineer: a case study along the coast of NSW, Australia

We investigated the effects of the habitat-modifying green algae Caulerpa taxifolia on meiobenthic communities along the coast of New South Wales, Australia. Samples were taken from unvegetated sediments, sediments underneath the native seagrass Zostera capricorni, and sediments invaded by C. taxifolia at 3 sites along the coast. Meiofaunal responses to invasion varied in type and magnitude depending on the site, ranging from a slight increase to a substantial reduction in meiofauna and nematode abundances and diversity. The multivariate structure of meiofauna communities and nematode assemblages, in particular, differed significantly in sediments invaded by C. taxifolia when compared to native habitats, but the magnitude of this dissimilarity differed between the sites. These differential responses of meiofauna to C. taxifolia were explained by different sediment redox potentials. Sediments with low redox potential showed significantly lower fauna abundances, lower numbers of meiofaunal taxa and nematode species and more distinct assemblages. The response of meiofauna to C. taxifolia also depended on spatial scale. Whereas significant loss of benthic biodiversity was observed locally at one of the sites, at the larger scale C. taxifolia promoted an overall increase in nematode species richness by favouring species that were absent from the native environments. Finally, we suggest there might be some time-lags associated with the impacts of C. taxifolia and point to the importance of considering the time since invasion when evaluating the impact of invasive species.

New high nuclearity carbonyl clusters

The thesis reports the synthesis, and the chemical, structural and spectroscopic characterization of a series of new Rhodium and Au-Fe carbonyl clusters. Most new high-nuclearity rhodium carbonyl clusters have been obtained by redox condensation of preformed rhodium clusters reacting with a species in a different oxidation state generated in situ by mild oxidation. In particular the starting Rh carbonyl clusters is represented by the readily available [Rh7(CO)16]3- 9 compound. The oxidized species is generated in situ by reaction of the above with a stoichiometric defect of a mild oxidizing agents such as [M(H2O)x]n+ aquo complexes possessing different pKa’s and Mn+/M potentials. The experimental results are roughly in keeping with the conclusion that aquo complexes featuring E°(Mn+/M) < ca. -0.20 V do not lead to the formation of hetero-metallic Rh clusters, probably because of the inadequacy of their redox potentials relative to that of the [Rh7(CO)16]3-/2- redox couple. Only homometallic cluster s such as have been fairly selectively obtained. As a fallout of the above investigations, also a convenient and reproducible synthesis of the ill-characterized species [HnRh22(CO)35]8-n has been discovered. The ready availability of the above compound triggered both its complete spectroscopic and chemical characterization. because it is the only example of Rhodium carbonyl clusters with two interstitial metal atoms. The presence of several hydride atoms, firstly suggested by chemical evidences, has been implemented by ESI-MS and 1H-NMR, as well as new structural characterization of its tetra- and penta-anion. All these species display redox behaviour and behave as molecular capacitors. Their chemical reactivity with CO gives rise to a new series of Rh22 clusters containing a different number of carbonyl groups, which have been likewise fully characterized. Formation of hetero-metallic Rh clusters was only observed when using SnCl2H2O as oxidizing agent because. Quite all the Rh-Sn carbonyl clusters obtained have icosahedral geometry. The only previously reported example of an icosahedral Rh cluster with an interstitial atom is the [Rh12Sb(CO)27]3- trianion. They have very similar metal framework, as well as the same number of CO ligands and, consequently, cluster valence electrons (CVEs). .A first interesting aspect of the chemistry of the Rh-Sn system is that it also provides icosahedral clusters making exception to the cluster-borane analogy by showing electron counts from 166 to 171. As a result, the most electron-short species, namely [Rh12Sn(CO)25]4- displays redox propensity, even if disfavoured by the relatively high free negative charge of the starting anion and, moreover, behaves as a chloride scavenger. The presence of these bulky interstitial atoms results in the metal framework adopting structures different from a close-packed metal lattice and, above all, imparts a notable stability to the resulting cluster. An organometallic approach to a new kind of molecular ligand-stabilized gold nanoparticles, in which Fe(CO)x (x = 3,4) moieties protect and stabilize the gold kernel has also been undertaken. As a result, the new clusters [Au21{Fe(CO)4}10]5-, [Au22{Fe(CO)4}12]6-, Au28{Fe(CO)3}4{Fe(CO)4}10]8- and [Au34{Fe(CO)3}6{Fe(CO)4}8]6- have been isolated and characterized. As suggested by concepts of isolobal analogies, the Fe(CO)4 molecular fragment may display the same ligand capability of thiolates and go beyond. Indeed, the above clusters bring structural resemblance to the structurally characterized gold thiolates by showing Fe-Au-Fe, rather than S-Au-S, staple motives. Staple motives, the oxidation state of surface gold atoms and the energy of Au atomic orbitals are likely to concur in delaying the insulator-to-metal transition as the nuclearity of gold thiolates increases, relative to the more compact transition-metal carbonyl clusters. Finally, a few previously reported Au-Fe carbonyl clusters have been used as precursors in the preparation of supported gold catalysts. The catalysts obtained are active for toluene oxidation and the catalytic activity depends on the Fe/Au cluster loading over TiO2.

Electrochemistry of carbon based engineered structures

The main aims of my PhD research work have been the investigation of the redox, photophysical and electronic properties of carbon nanotubes (CNT) and their possible uses as functional substrates for the (electro)catalytic production of oxygen and as molecular connectors for Quantum-dot Molecular Automata. While for CNT many and diverse applications in electronics, in sensors and biosensors field, as a structural reinforcing in composite materials have long been proposed, the study of their properties as individual species has been for long a challenging task. CNT are in fact virtually insoluble in any solvent and, for years, most of the studies has been carried out on bulk samples (bundles). In Chapter 2 an appropriate description of carbon nanotubes is reported, about their production methods and the functionalization strategies for their solubilization. In Chapter 3 an extensive voltammetric and vis-NIR spectroelectrochemical investigation of true solutions of unfunctionalized individual single wall CNT (SWNT) is reported that permitted to determine for the first time the standard electrochemical potentials of reduction and oxidation as a function of the tube diameter of a large number of semiconducting SWNTs. We also established the Fermi energy and the exciton binding energy for individual tubes in solution and, from the linear correlation found between the potentials and the optical transition energies, one to calculate the redox potentials of SWNTs that are insufficiently abundant or absent in the samples. In Chapter 4 we report on very efficient and stable nano-structured, oxygen-evolving anodes (OEA) that were obtained by the assembly of an oxygen evolving polyoxometalate cluster, (a totally inorganic ruthenium catalyst) with a conducting bed of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT). Here, MWCNT were effectively used as carrier of the polyoxometallate for the electrocatalytic production of oxygen and turned out to greatly increase both the efficiency and stability of the device avoiding the release of the catalysts. Our bioinspired electrode addresses the major challenge of artificial photosynthesis, i.e. efficient water oxidation, taking us closer to when we might power the planet with carbon-free fuels. In Chapter 5 a study on surface-active chiral bis-ferrocenes conveniently designed in order to act as prototypical units for molecular computing devices is reported. Preliminary electrochemical studies in liquid environment demonstrated the capability of such molecules to enter three indistinguishable oxidation states. Side chains introduction allowed to organize them in the form of self-assembled monolayers (SAM) onto a surface and to study the molecular and redox properties on solid substrates. Electrochemical studies on SAMs of these molecules confirmed their attitude to undergo fast (Nernstian) electron transfer processes generating, in the positive potential region, either the full oxidized Fc+-Fc+ or the partly oxidized Fc+-Fc species. Finally, in Chapter 6 we report on a preliminary electrochemical study of graphene solutions prepared according to an original procedure recently described in the literature. Graphene is the newly-born of carbon nanomaterials and is certainly bound to be among the most promising materials for the next nanoelectronic generation.

Synthese und photophysikalische Eigenschaften von Indolocarbazolen und höheren Analoga

Das Ziel dieser Arbeit bestand zum einen in der Entwicklung einer einfachen Synthesestrategie zur Darstellung substituierter symmetrischer Indolo[3,2-b]carbazole sowie in der Erweiterung des -Elektronensystems, um höhere Analoga dieser Substanzklasse zu synthetisieren. Der Zugang sollte dabei durch eine doppelte Cadogan-Ringschlussreaktion als Schlüsselschritt erfolgen. Die doppelte Cadogan-Reaktion erfolgte dabei unter Mikrowellenbedingungen in zufriedenstellenden Ausbeuten. Mittels Röntgenstrukturanalyse sind die verschiedenen Indolo[3,2-b]carbazole und Diindolo[3,2-b;2´,3´-h]carbazole auf ihre Eigenschaften im Festkörper hin untersucht worden. Dabei zeigen sie mit ihren Anordnungen im festen Zustand gute Eigenschaften für deren Verwendung als organische Halbleitermaterialien in Organischen Dünnschichttransistoren oder auch in Organischen Leuchtdioden. Die photophysikalische Charakterisierung erfolgte mittels UV/Vis- und Fluoreszenzspektroskopie sowie durch elektrooptische Absorptionsmessung, die Informationen über die Größe der Dipolmomente im Grundzustand und im angeregten Franck-Condon-Zustand lieferte. Die elektrochemischen Eigenschaften wurden aus cyclovoltammetrischen Messungen durch die Bestimmung der Redoxpotentiale, und damit die Lage der HOMO- bzw. LUMO-Levels, gewonnen. Durch die Synthese und die Bestimmung ihrer photophysikalischen Eigenschaften, mittels UV/Vis- und Fluoreszenzspektroskopie, von auf Naphthalin basierenden Chromophoren wurden zudem Verbindungen dargestellt, die Verwendung in lumineszierenden Lanthanid(III)-Komplexen finden können. Die Darstellung erfolgte mittels einer palladium-katalysierten Arylaminierung gefolgt von einer Suzuki-Kupplung mit 1,4-Dibromnaphthalin als Startmaterial.

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.

Molecular plating of thin lanthanide layers with improved material properties for nuclear applications

In der vorliegenden Arbeit werden Experimente beschrieben, die zu einem vertieften Verständnis fundamentaler Prozesse bei der elektrochemischen Herstellung von Dünnschichten, sog. Targets, für kernphysikalische und -chemische Studien führten. Targets wurden mittels 'Molecular Plating' (MP) hergestellt, indem eine Elektrodeposition aus organischem Medium in der Regel bei konstantem Strom in Zwei-Elektroden-Zellen. Die Resultate erlaubten, optimierte Herstellungs-bedingungen zu ermitteln, welche die Produktion deutlich verbesserter Targets erlaubten. MP bei konstantem Strom ist ein massentransportkontrollierter Prozess. Der angelegte Strom wird durch einen konstanten Fluss elektroaktiver Spezies zur Kathode – auf der die Schicht wächst – und Anode aufrechterhalten. Die Untersuchungen zeigten, dass das Zellenpotential des Elektrodepositionsystems immer durch den Ohm'schen Spannungsabfall auf Grund des Widerstandes der verwendeten Lösung dominiert wurde. Dies erlaubte die Herleitung einer Beziehung zwischen dem Zellenpotential und der Konzentration der elektroaktiven Spezies. Die Beziehung erlaubt die Erklärung des gemessenen zeitlichen Verlaufs des Zellenpotentials während der Abscheidung als Funktion der Elektrolytkonzentration. Dies dient als Basis, auf der nun ein umfassenderes Bild der Prozesse, die für die charakteristischen Minima im Potentialverlauf einer Abscheidung verantwortlich sind, gewonnen werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass die Minima mit der fast vollständigen Entfernung (durch Abscheidung) der aus einem gelösten Salz erzeugten Nd-Ionen korrespondieren. Die abgeschiedene Spezies wurde als Nd3+ identifiziert, vermutlich als Carboxylat, Oxid oder Hydroxid, was auf Grund der hohen negative Werte des Standardredoxpotentials der Lanthanide verständlich erscheint. Von den vorliegenden elektroaktiven Spezies tragen die Nd3+ Ionen nur zu knapp 20% zum Gesamtstrom bei. Durch Elektrolyse tragen auch die Lösungsmittelkomponenten zu diese Strom bei. Die Gegenwart von elektrolysiertem Lösungsmittel wurde in Analysen der Dünnschichten bestätigt. Diese waren immer mit chemi- und physisorbierten Lösungsmittelmolekülen bedeckt. Die Analyse der Dünnschichten zeigte, dass die Oberflächen von einem furchenartiges Netz durchzogen waren, und dass diese während des Trocknen der Schichten nach dem MP entstanden. Ob die Schichten an Luft oder in inerter Atmosphäre trockneten, hatte keinen Einfluss. Es wurden Experimente mit mehreren Lösungsmitteln durchgeführt, die sich deutlich in ihren physikalischen Eigenschaften, v.a. dem Siedepunkt, unterschieden. Furchenfreie Dünnschichten konnten insbesondere bei MP in N,N-dimethylformamide (DMF) erzeugt werden. Die Verwendung von DMF in Kombination mit einer Abscheidung auf sehr glatten Substraten erlaubte die Produktion von sehr homogenen, glatten und defektfreien Schichten. Diese waren vermutlich geringeren inneren Spannungen während des Trocknens ausgesetzt, als Schichten auf raueren Substraten oder solche, die aus flüchtigeren Lösungsmitteln hergestellt wurden. Die Oberflächenrauigkeit des Substrats und das gewählte Lösungsmittel wurden so als Schlüsselfaktoren für die Produktion hochqualitativer Schichten identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass mit MP eine sehr effiziente Methode zur Herstellung homogener Schichten mit exzellenter Ausbeute ist. In weiteren Experimenten mit dem primordialen Alpha-Emitter 147Sm als Modellisotop wurde die Eignung solcher Schichten als Alpha-Quelle untersucht. Sowohl die Energieauflösung als auch der Anteil der Alpha-Teilchen, die den Detektor erreichten, waren von den Quelleneigenschaften abhängig. Die Effekte wurden verschiedenen Variablen der Dünnschicht zugeordnet, welche die Alpha-Spektren beeinflussten. Dominant war die Wahl des Lösungsmittels und die Rauigkeit des Substrats. Dies beeinflusste Schichtdicke und -morphologie sowie die Art des Schichtwachstums und veränderte die Detektionseffizienz in Alpha-Messungen bis zu 15%. Nur homogene, ebene Schichten, die aus DMF auf glatten Substraten abgeschieden wurden, eignen sich optimal als Alpha-Quelle. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben die optimierte Herstellung nuklearer Targets durch MP. Künftige Anwendungen beinhalten insbesondere die Herstellung von Targets für neutroneninduzierte Spaltexperimente und untergrundarmeAlpha-Messungen sehr kleiner Aktivitäten.

An in-situ surface electrochemistry approach toward whole-cell studies: Charge transfer between Geobacter sulfurreducens and electrified metal/electrolyte interfaces through linker molecules

Electrochemical reactivity and structure properties of electrogenic bacteria, Geobacter sulfurreducens (Gs) were studied to explore the heterogeneous electron transfer at the bacteria/electrode interface using electrochemical and in-situ spectroscopic techniques. The redox behavior of Gs adsorbed on a gold electrode, which is modified with a ω-functionalized self-assembled monolayer (SAM) of alkanethiols, depends strongly on the terminal group. The latter interacts directly with outermost cytochromes embedded into the outer membrane of the Gs cells. The redox potential of bacterial cells bound electrostatically to a carboxyl-terminated SAM is close to that observed for bacteria attached to a bare gold electrode, revealing a high electronic coupling at the cell/SAM interface. The redox potentials of bacterial cells adsorbed on amino- and pyridyl-terminated SAMs are significantly different suggesting that the outermost cytochromes changes their conformation upon adsorption on these SAMs. No redox activity of Gs was found with CH3-, N(CH3)3+- and OH-terminated SAMs. Complementary in-situ spectroscopic studies on bacteria/SAMs/Au electrode assemblies were carried out to monitor structure changes of the bacterial cells upon polarization. Spectro-electrochemical techniques revealed the electrochemical turnover of the oxidized and reduced states of outer membrane cytochromes (OMCs) in Gs, providing evidence that the OMCs are responsible for the direct electron transfer to metal electrodes, such as gold or silver, during the electricity production. Furthermore, we observed spectroscopic signatures of the native structure of the OMCs and no conformational change during the oxidation/reduction process of the microorganisms. These findings indicate that the carboxyl-anchoring group provides biocompatible conditions for the outermost cytochromes of the Gs, which facilitate the heterogeneous electron transfer at the microorganism/electrode interface.

Acoustic Detection of Organic Enrichment in Sediments at a Salmon Farm Is Confirmed by Independent Groundtruthing Methods

Acoustic backscatter contrast in depositional sediments under salmon farm cages in the Bay of Fundy, Canada, was correlated with localized changes in (unknown) sediment geotechnical properties, as indicated by 4 independent measures of organic enrichment. Sediment total sulfides and redox potentials, enzyme hydrolyzable amino acids, sediment profile imaging and macrofaunal samples, taken at mid-cage positions, each rejected the null hypothesis that salmon cage footprints, defined acoustically as high backscatter areas, were indistinguishable from nearby reference areas. Acoustic backscatter imaging appears capable of mapping organic enrichment in depositional sediments caused by excessive inputs of salmon farm wastes associated with intensive aquaculture.

Novel unsymmetrically functionalized BEDT–TTF derivatives: synthesis, crystal structure and electrochemical characterization

Novel functionalized bis(ethylenedithio)tetrathiafulvalene (BEDT–TTF) derivatives 4 and 5 have been synthesized in good yields from cyano precursor via a cross-coupling reaction. Their redox potentials have been studied by cyclic voltammetry in a dichloromethane solution; this indicated that they are slightly weaker electron donors than BEDT–TTF. Compound 4 has been studied by X–ray crystallography; this revealed that, in the crystal, the molecules were held together by some unconventional C–H···N and C–H···S hydrogen bonds.

Annotated record and chemical composition of manganese nodules from station VITYAZ 4575, Indian Ocean

Analyses are given for the core and outer colliform shell of a manganese nodule collected at a depth of 5000 m in the Indian Ocean, and for the red clay that encloses the nodules. Trace elements determined include rare earths, Nb, Ta, Th, and V. The cores of the nodules were once composed of basaltic rock, but now are phillipsite and nontronite. The outer shell is composed of manganite, with admixed quartz, phillipsite, and some geothite. The correlations established between the redox potentials and the concentration coefficients for 12 elements indicate that Eh plays a greater role in the formation of the manganiferous shells than coprecipitation properties.

Efficient folding of proteins with multiple disulfide bonds in the Escherichia coli cytoplasm

Under physiological conditions, the Escherichia coli cytoplasm is maintained in a reduced state that strongly disfavors the formation of stable disulfide bonds in proteins. However, mutants in which the reduction of both thioredoxins and glutathione is impaired (trxB gor mutants) accumulate oxidized, enzymatically active alkaline phosphatase in the cytoplasm. These mutants grow very poorly in the absence of an exogenous reductant and accumulate extragenic suppressors at a high frequency. One such suppressor strain, FA113, grows almost as rapidly as the wild type in the absence of reductant, exhibits slightly faster kinetics of disulfide bond formation, and has fully induced activity of the transcriptional activator, OxyR. FA113 gave substantially higher yields of properly oxidized proteins compared with wild-type or trxB mutant strains. For polypeptides with very complex patterns of disulfide bonds, such as vtPA and the full-length tPA, the amount of active protein was further enhanced up to 15-fold by co-expression of TrxA (thioredoxin 1) mutants with different redox potentials, or 20-fold by the protein disulfide isomerase, DsbC. Remarkably, higher yields of oxidized, biologically active proteins were obtained by expression in the cytoplasm of E. coli FA113 compared with what could be achieved via secretion into the periplasm of a wild-type strain, even under optimized conditions. These results demonstrate that the cytoplasm can be rendered sufficiently oxidizing to allow efficient formation of native disulfide bonds without compromising cell viability.

Complementary DNA Cloning and Characterization of Ferredoxin Localized in Bundle-Sheath Cells of Maize Leaves1

In maize (Zea mays L.) two leaf-specific ferredoxin (Fd) isoproteins, Fd I and Fd II, are distributed differentially in mesophyll and bundle-sheath cells. A novel cDNA encoding the precursor of Fd II (pFD2) was isolated by heterologous hybridization using a cDNA for Fd I (pFD1) as a probe. The assignment of the cDNAs to the Fds was verified by capillary liquid-chromatography/electrospray ionization-mass spectrometry. RNA-blot analysis demonstrated that transcripts for Fd I and Fd II accumulated specifically in mesophyll and bundle-sheath cells, respectively. The mature regions of pFD1 and pFD2 were expressed in Escherichia coli as functional Fds. Fd I and Fd II had similar redox potentials of −423 and −406 mV, respectively, but the Km value of Fd-NADP+ reductase for Fd II was about 3-fold larger than that for Fd I. Asparagine at position 65 of Fd II is a unique residue compared with Fd I and other Fds from various plants, which have aspartic acid or glutamic acid at the corresponding position as an electrostatic interaction site with Fd-NADP+ reductase. Substitution of asparagine-65 with aspartic acid increased the affinity of Fd II with Fd-NADP+ reductase to a level comparable to that of Fd I. These structural and functional differences of Fd I and Fd II may be related to their cell-specific expression in the leaves of a C4 plant.

Biochemical mechanisms involved in pulmonary hypo-alveolarization induced by peroxides contaminating parenteral nutrition in newborn guinea pig

La dysplasie broncho-pulmonaire (DBP), caractérisée par un défaut de l’alvéolarisation, est une complication pathologique associée à un stress oxydant chez le nouveau-né prématuré. La DBP est présente chez près de 50 % des nouveau-nés de moins de 29 semaines de gestation. La nutrition parentérale (NP) que ces nouveau-nés reçoivent pour cause d’immaturité gastro-intestinale est une source importante de stress oxydant. En effet, leur NP est contaminée par des peroxydes, dont l’ascorbylperoxyde qui est une forme peroxydée du déshydroascorbate. La génération des peroxydes est catalysée par la lumière ambiante. La photoprotection de la NP, quoique difficile d’application en clinique, est associée à une diminution de l’incidence de la DBP chez les enfants prématurés. Chez l’animal nouveau-né, la photoprotection de la NP est associée à un meilleur développement alvéolaire. Ainsi, nous émettons l’hypothèse que l’ascorbylperoxide infusé avec la NP cause la perte d’alvéoles suite à une apoptose exagérée induite par l’oxydation du potentiel redox du glutathion. Cette oxydation du potentiel redox serait occasionnée par l’inhibition de la transformation hépatique de la méthionine en cystéine, menant à une diminution de la synthèse de glutathion au foie et dans les tissus tels que les poumons. La confirmation de cette hypothèse suggérera qu’un ajout de glutathion dans la NP permettra une meilleure détoxification de l’ascorbylperoxide par l’action de la glutathion peroxydase, et préviendra l’oxydation du potentiel redox et ainsi, la perte d'alvéoles par apoptose. Objectifs : Le but de mon projet de recherche est de comprendre les mécanismes biochimiques liant la NP et le développement de la DBP chez le nouveau-né prématuré et de proposer une alternative nutritionnelle prévenant le développement de cette complication fréquemment observée dans cette population. Les objectifs spécifiques sont : 1) d’évaluer l’impact, au poumon, de l’infusion de l’ascorbylperoxyde sur l’axe métabolique potentiel redox du glutathion - apoptose - le développement alvéolaire; 2) d’étudier l’impact de l’ascorbylperoxyde et du potentiel redox sur l’activité hépatique de la méthionine adénosyltransférase (MAT), première enzyme de la cascade métabolique transformant la méthionine en cystéine; et 3) de tenter de prévenir l’impact négatif de la NP ou de l’infusion d’ascorbylperoxyde sur le poumon en améliorant le statut en glutathion. Méthodes: Par un cathéter fixé dans la jugulaire, des cochons d’Inde de trois jours de vie (n = 8 par groupe) ont reçu en continu durant 4 jours une NP ou une solution de base (dextrose + NaCl) enrichie des différentes molécules à l’essai. Le premier objectif a été atteint en enrichissant la solution de base en ascorbylperoxyde à 0, 20, 60 et 180 μM. Ces solutions contenaient ou non 350 μM H2O2 pour se rapprocher des conditions cliniques. Le second objectif a été atteint en investiguant les mécanismes d’inhibition de la MAT dans des animaux infusés ou non avec des solutions contenant la solution de base, des peroxydes, du glutathion et la NP (dextrose + acides aminés + multivitamines + lipides). Le troisième objectif a été atteint en ajoutant ou non à une solution d’ascorbylperoxide ou à la NP 10 μM de glutathion (GSSG), afin d’obtenir une concentration plasmatique normale de glutathion. Après 4 jours, les poumons étaient prélevés et traités pour la détermination de GSH et GSSG par électrophorèse capillaire, le potentiel redox était calculé selon l'équation de Nernst et le niveau de caspase-3 actif (marqueur d’apoptose) par Western blot et l’index d’alvéolarisation quantifié par le nombre d’interceptes entre des structures histologiques et une droite calibrée. Les données étaient comparées par ANOVA, les effets étaient considérés comme significatifs si le p était inférieur à 0,05. Résultats: L’infusion de l’ascorbylperoxyde, indépendamment du H2O2, a induit une hypoalvéolarisation, une activation de la caspase-3 et une oxydation du potentiel redox de manière dose-dépendante. Ces effets ont été empêchés par l’ajout de GSSG à la NP ou à la solution d’ascorbylperoxyde (180 M). L’ascorbylperoxyde et le H2O2 ont inhibé l’activité de MAT tandis qu’elle était linéairement modulée par la valeur du potentiel redox hépatique. Conclusion : Nos résultats suggèrent que l’ascorbylperoxyde est l’agent actif de la NP conduisant au développement de la DBP. Ainsi la correction des bas niveaux de glutathion induits par les peroxydes de la NP favorise la détoxification des peroxydes et la correction du potentiel redox pulmonaire ; ce qui a protégé les poumons des effets délétères de la NP en outrepassant l’inhibition de la MAT hépatique. Nos résultats sont d'une grande importance car ils donnent de l'espoir pour une prévention possible de la DBP.