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.

Détermination de la spéciation du samarium dans l'environnement

Les éléments de terres rares (REEs) sont de plus en plus utilisés dans une multitude d’applications, notamment la fabrication d’aimants, de batteries rechargeables et les écrans de téléviseurs. Ils sont pour la plupart des métaux trivalents peu solubles dans les eaux naturelles. Comme pour les métaux divalents, le risque écologique des REEs est très probablement étroitement lié à leurs spéciations chimiques. Cependant, le comportement du samarium (Sm) dans les matrices environnementales est très peu connu et il n'existe actuellement aucune technique pour évaluer sa spéciation chimique. Dans cette optique, la technique d'échange d'ions (IET) sur la résine Dowex a été optimisée pour mesurer le samarium libre en solution. Les temps d'équilibre ont d'abord été déterminés pour des solutions tamponnées de samarium (Sm 6,7x10-8 M ; MES 1,0 mM M ; pH 6,0) en présence du nitrate de sodium (de 0,01M à 0,5 M). Pour ces diverses forces ioniques, l’équilibre thermodynamique n’est atteint que pour NaNO3 0,5M. Un autre mode d’utilisation de la résine (mode dynamique) a donc été développé pour tenir compte des conditions environnementales et évaluer efficacement le samarium libre. Les impacts des ligands organiques tels le NTA, l’EDTA, le citrate, l’acide malique et l’acide fulvique Suwannee River Standard I (SRFA) ont été étudiés par l’IET en mode dynamique. Une grande corrélation a été trouvée plus entre les taux d’accumulation de samarium sur la résine d’échange pour différents rapports NTA : Sm, EDTA : Sm, SRFA : Sm et le samarium libre. Par contre, aucune corrélation significative n’a été observée pour les ligands citrate et acide malique compte tenu des complexes qu’ils forment avec le samarium et qui s’adsorbent aussi sur la résine Dowex. Les concentrations Sm3+ mesurées par la technique IET ont été fortement corrélées avec celles prédites par le modèle WHAM 7.0 en utilisant la constante de stabilité obtenue par titration de SRFA par extinction de la fluorescence. Par ailleurs, la formation de colloïdes de samarium en fonction du pH influe grandement sur la détermination du samarium libre et doit être prise en compte dans la spéciation du samarium. L'IET assisté par des techniques auxiliaires comme le dosage par extinction de la fluorescence et le SP-ICPMS pourrait être une technique utile pour évaluer les concentrations de Sm biodisponible dans les eaux naturelles.

PROLINE-BASED CHIRAL STATIONARY PHASES: INSIGHTS INTO THE MECHANISM OF CHIRAL SELECTIVITY

Proline (Pro) is a unique amino acid that has been examined previously as a potential chiral selector for high-performance liquid chromatography. In recent years, a new class of promising Pro based enantioselective stationary phases has been studied and the longer peptides were found to be competitive with commercial chiral stationary phases (CSPs). Here, we aim to perform a comprehensive examination of a t-butoxycarbonyl- (t-Boc-) terminated monoproline selector. This selector was grafted through an amide linkage to an aminopropyl siloxane-terminated Si (111) wafer and to a silicon atomic force microscopy tip. To ensure a flat, homogeneous overlayer of selectors suitable for force spectrometric measurements, the prepared surfaces were characterized using XPS, AFM and contact angle measurements. Chemical force spectrometry (CFS) has been used to examine the chiral discrimination in our monoproline CSP by measuring the interaction forces between two D- or L-monoproline monolayers in water and in the presence of a series of amino acids in solution to explore the degree to which binding of amino acids impacts self-selectivity. Chemical force titration (CFT) has been used to observe the influence of variations in pH on the binding interaction of proline modified chiral surfaces. Here we aim to explore the connection between side-chain hydrophobicity and differences in the nature of the binding between different ionic forms of amino acids and the t-Boc-Pro interface, and thereby to gain insight into the mechanism of chiral selectivity. The CFS results show several trends for different proline selector/amino acid combinations and indicate that the binding characteristics of amino acid to the proline surface is strongly dependent on the amino acid side chain where hydrophilic side chain amino acids exhibit a selectivity opposite to that seen for those with hydrophobic side chains. The CFT studies also provide valuable insights into interactions between the proline selector and the amino acids under a wide range of pH conditions, indicating that protonated amine groups of alanine and serine are closely involved in the binding mechanism to proline surfaces. On the other hand, the presence of the second carboxylic group in aspartic acid plays an important role while interacting with proline.

Exploring the role of the α-carboxyphosphonate moiety in the HIV-RT activity of α-carboxy nucleoside phosphonates

As α-carboxy nucleoside phosphonates (α-CNPs) have demonstrated a novel mode of action of HIV-1 reverse transcriptase inhibition, structurally related derivatives were synthesized, namely the malonate 2, the unsaturated and saturated bisphosphonates 3 and 4, respectively and the amide 5. These compounds were evaluated for inhibition of HIV-1 reverse transcriptase in cell-free assays. The importance of the α-carboxy phosphonoacetic acid moiety for achieving reverse transcriptase inhibition, without the need for prior phosphorylation, was confirmed. The malonate derivative 2 was less active by two orders of magnitude than the original α-CNPs, while displaying the same pattern of kinetic behavior; interestingly the activity resides in the “L”-enantiomer of 2, as seen with the earlier series of α-CNPs. A crystal structure with an RT/DNA complex at 2.95 Å resolution revealed the binding of the “L”-enantiomer of 2, at the polymerase active site with a weaker metal ion chelation environment compared to 1a (T-α-CNP) which may explain the lower inhibitory activity of 2.

Production de biodiesel à partir de microalgues par catalyses homogène et hétérogène

Résumé : Au Canada, près de 80% des émissions totales, soit 692 Mt eq. CO[indice inférieur 2], des gaz à effet de serre (GES) sont produits par les émissions de dioxyde de carbone (CO[indice inférieur 2]) provenant de l’utilisation de matières fossiles non renouvelables. Après la Conférence des Nations Unies sur les changements climatiques, COP21 (Paris, France), plusieurs pays ont pour objectif de réduire leurs émissions de GES. Dans cette optique, les microalgues pourraient être utilisées pour capter le CO[indice inférieur 2] industriel et le transformer en biomasse composée principalement de lipides, de glucides et de protéines. De plus, la culture des microalgues n’utilise pas de terre arable contrairement à plusieurs plantes oléagineuses destinées à la production de biocarburants. Bien que les microalgues puissent être transformées en plusieurs biocarburants tels le bioéthanol (notamment par fermentation des glucides) ou le biométhane (par digestion anaérobie), la transformation des lipides en biodiesel pourrait permettre de réduire la consommation de diesel produit à partir de pétrole. Cependant, les coûts reliés à la production de biodiesel à partir de microalgues demeurent élevés pour une commercialisation à court terme en partie parce que les microalgues sont cultivées en phase aqueuse contrairement à plusieurs plantes oléagineuses, ce qui augmente le coût de récolte de la biomasse et de l’extraction des lipides. Malgré le fait que plusieurs techniques de récupération des lipides des microalgues n’utilisant pas de solvant organique sont mentionnées dans la littérature scientifique, la plupart des méthodes testées en laboratoire utilisent généralement des solvants organiques. Les lipides extraits peuvent être transestérifiés en biodiesel en présence d’un alcool tel que le méthanol et d’un catalyseur (catalyses homogène ou hétérogène). Pour la commercialisation du biodiesel à partir de microalgues, le respect des normes ASTM en vigueur est un point essentiel. Lors des essais en laboratoire, il a été démontré que l’extraction des lipides en phase aqueuse était possible afin d’obtenir un rendement maximal en lipides de 36% (m/m, base sèche) en utilisant un prétraitement consistant en une ébullition de la phase aqueuse contenant les microalgues et une extraction par des solvants organiques. Pour l’estérification, en utilisant une résine échangeuse de cations (Amberlyst-15), une conversion des acides gras libres de 84% a été obtenue à partir des lipides de la microalgue Chlorella protothecoïdes dans les conditions suivantes : température : 120°C, pression autogène, temps de réaction : 60 min, ratio méthanol/lipides: 0.57 mL/g et 2.5% (m/m) Amberlyst-15 par rapport aux lipides. En utilisant ces conditions avec une catalyse homogène (acide sulfurique) et une seconde étape alcaline avec de l’hydroxyde de potassium (température : 60°C ; temps de réaction : 22.2 min; ratio catalyseur microalgue : 2.48% (m/m); ratio méthanol par rapport aux lipides des microalgues : 31.4%), un rendement en esters méthyliques d’acides gras (EMAG) de 33% (g EMAG/g lipides) a été obtenu à partir des lipides de la microalgue Scenedesmus Obliquus. Les résultats démontrent que du biodiesel peut être produit à partir de microalgues. Cependant, basé sur les présents résultats, il sera necessaire de mener d’autre recherche pour prouver que les microalgues sont une matière première d’avenir pour la production de biodiesel.

Développement d’outils moléculaires pour la tomographie d’émission par positrons

Résumé : L’imagerie TEP est une modalité puissante qui permet de suivre d’infimes concentrations de traceurs marqués pour la détection de cancers et d’autres pathologies. Il y a actuellement un intérêt croissant pour le développement de peptides comme outils diagnostiques et de traitement en oncologie. Cet intérêt se justifie entre autres par le fait que les peptides sont tolérants à la présence de chélateurs bifonctionnels ou de groupements prosthétiques pour le marquage avec divers radiométaux (64Cu, T1/2 = 12,7 h, 68Ga, T1/2 = 68 min, etc.) ou le 18F (T1/2 = 109,8 min) sans perte de leur activité biologique. L’objectif des travaux rapportés dans ce document était de développer des outils moléculaires innovateurs et efficaces qui facilitent le marquage de peptides pour l’imagerie TEP. Il s’agit spécifiquement d’un chélateur bifonctionnel et d’une méthode de conjugaison rapide et sélective de groupe prosthétique. Sur un volet, un chélateur bifonctionnel analogue de la lysine avec des ligands méthylhydroxamates a été synthétisé en solution par double bisalkylation. Les résultats préliminaires indiquent une faible chélation avec le Cu(II), mais sont à poursuivre avec les 68Ga et 89Zr. Pour le second volet de radiomarquage au 18F, les procédures synthétiques ont été optimisées en deux étapes, soient le marquage du groupe prothétique et sa conjugaison au peptide. Tout d’abord, des conditions de marquage par une réaction de SNAr en présence de 18F- ont été développées pour donner le groupe prosthétique 18F-thioester nécessaire à la conjugaison. Par la suite, sa conjugaison au peptide par la réaction de ligation chémosélective, ce qui implique trois étapes 1) une transthioestérification favorisée entre les groupements thioester et thiol des segments de peptides; 2) un réarrangement irréversible de l’intermédiaire thioester en N-(oxyalkyl)amide, suivi; 3) du clivage de l’auxiliaire. Par les présents travaux, il a été prouvé que la nouvelle méthodologie en un seul pot réactionnel accélère la réaction et permet le marquage au 18F de peptides non protégés, limitant ainsi les réactions secondaires et le nombre d’étapes après le marquage des peptides. La conjugaison du groupe prothétique à un composé et un peptide modèle se produit en 26-55 min comparativement aux 48 h des conditions originales rapportées. La méthode proposée permet également le marquage de peptides non protégés. Dans le futur, le chélateur bifonctionnel et le groupe prothétique seront conjugués à différents dérivés peptidiques ciblant des récepteurs impliqués dans le cancer et des tests de compétition, de saturation, de biodistribution et d’imagerie µTEP seront effectués.