Characterization of the mucosal and systemic immune response induced by Cry1Ac protein from Bacillus thuringiensis HD 73 in mice

The present paper describes important features of the immune response induced by the Cry1Ac protein from Bacillus thuringiensis in mice. The kinetics of induction of serum and mucosal antibodies showed an immediate production of anti-Cry1Ac IgM and IgG antibodies in serum after the first immunization with the protoxin by either the intraperitoneal or intragastric route. The antibody fraction in serum and intestinal fluids consisted mainly of IgG1. In addition, plasma cells producing anti-Cry1Ac IgG antibodies in Peyer's patches were observed using the solid-phase enzyme-linked immunospot (ELISPOT). Cry1Ac toxin administration induced a strong immune response in serum but in the small intestinal fluids only anti-Cry1Ac IgA antibodies were detected. The data obtained in the present study confirm that the Cry1Ac protoxin is a potent immunogen able to induce a specific immune response in the mucosal tissue, which has not been observed in response to most other proteins.

Nonconventional amide bond formation catalysis: programming enzyme specificity with substrate mimetics

This article reports on the design and characteristics of substrate mimetics in protease-catalyzed reactions. Firstly, the basis of protease-catalyzed peptide synthesis and the general advantages of substrate mimetics over common acyl donor components are described. The binding behavior of these artificial substrates and the mechanism of catalysis are further discussed on the basis of hydrolysis, acyl transfer, protein-ligand docking, and molecular dynamics studies on the trypsin model. The general validity of the substrate mimetic concept is illustrated by the expansion of this strategy to trypsin-like, glutamic acid-specific, and hydrophobic amino acid-specific proteases. Finally, opportunities for the combination of the substrate mimetic strategy with the chemical solid-phase peptide synthesis and the use of substrate mimetics for non-peptide organic amide synthesis are presented.

Production, isolation and characterization of bioactive peptides with antihypertensive properties from rapeseed and potato protein

Consumers’ increasing awareness of healthiness and sustainability of food presents a great challenge to food industry to develop healthier, biologically active and sustainable food products. Bioactive peptides derived from food proteins are known to possess various biological activities. Among the activities, the most widely studied are antioxidant activities and angiotensin I converting enzyme (ACE) inhibitory activity related to blood pressure regulation and antihypertensive effects. Meanwhile, vast amounts of byproducts with high protein content are produced in food industry, for example potato and rapeseed industries. The utilization of these by-products could be enhanced by using them as a raw material for bioactive peptides. The objective of the present study was to investigate the production of bioactive peptides with ACE inhibitory and antioxidant properties from rapeseed and potato proteins. Enzymatic hydrolysis and fermentation were utilized for peptide production, ultrafiltration and solid-phase extraction were used to concentrate the active peptides, the peptides were fractionated with liquid chromatographic processes, and the peptides with the highest ACE inhibitory capacities were putified and analyzed with Maldi-Tof/Tof to identify the active peptide sequences. The bioavailability of the ACE inhibitory peptides was elucidated with an in vitro digestion model and the antihypertensive effects in vivo of rapeseed peptide concentrates were investigated with a preventive premise in 2K1C rats. The results showed that rapeseed and potato proteins are rich sources of ACE inhibitory and antioxidant peptides. Enzymatic hydrolysis released the peptides effectively whereas fermentation produced lower activities.The native enzymes of potato were also able to release ACE inhibitory peptides from potato proteins without the addition of exogenous enzymes. The rapeseed peptide concentrate was capable of preventing the development of hypertension in vivo in 2K1C rats, but the quality of rapeseed meal used as raw material was found to affect considerably the antihypertensive effects and the composition of the peptide fraction.

Entsyymien talteenotto ja kierrätys selluloosaetanolin valmistuksessa

Bioetanolin valmistus selluloosapitoisista raaka-aineista vaatii selluloosapolymeerien pilkkomisen liukoisiksi sokereiksi. Tämä voidaan toteuttaa entsymaattisella hydrolyysillä. Selluloosan pilkkomiseen tarkoitetut entsyymit, sellulaasit, ovat entsymaattisen hydrolyysin jälkeen sitoutuneet joko kiintoainefaasiin tai ovat nestemäisessä faasissa ns. vapaina entsyymeinä. Prosessin taloudellisuuden kannalta on erityisen tärkeää minimoida siinä käytettävien entsyymien tarve, sillä tehokkaat entsyymivalmisteet ovat suhteellisen kalliita. Yksi varteenotettava vaihtoehto bioetanoliprosessin saamiseksi taloudellisemmaksi on käytettyjen entsyymien talteenotto ja kierrätys. Työn tarkoituksena oli selvittää kirjallisuudesta, millaisia menetelmiä on kehitetty entsyymien talteenottoon ja kierrätykseen lignoselluloosasta valmistettavan bioetanolin valmistuksessa. Työssä on keskitytty tuoreisiin tutkimuksiin ja menetelmien käyttökelpoisuuteen ja taloudellisuuteen. Viime vuosina sellulaasien talteenotto- ja kierrätysmenetelmiä koskevat tutkimukset ovat keskittyneet pääasiassa käsittelemään nanopartikkelien avulla tapahtuvaa entsyymien immobilisointia, ultrasuodatusta, erilaisia desorptiomenetelmiä, kiinteän hydrolyysijäännöksen kierrättämistä, tuoreen substraatin lisäämistä sekä myös tislausvaiheen jälkeistä entsyymien kierrättämistä. Jotta kierrätysmenetelmä olisi tehokas, tulisi sen pyrkiä säilyttämään entsyymien aktiivisuuksia, sokerisaantoa menettämättä ja sisältää sekä neste-, että kiintoainefaasista tapahtuva kierrätys. Jokaisella kierrätysmenetelmällä on hyvät ja huonot puolensa. Entsyymien talteenottoastetta saadaan kuitenkin parannettua yhdistämällä erilaisia menetelmiä. Useista tutkimuksista huolimatta, taloudellisinta ja käyttökelpoisinta entsyymien talteenotto- ja kierrätysmenetelmää ei ole vielä saavutettu.

Prediction of exposed domains of envelope glycoprotein in Indian HIV-1 isolates and experimental confirmation of their immunogenicity in humans

We describe the impact of subtype differences on the seroreactivity of linear antigenic epitopes in envelope glycoprotein of HIV-1 isolates from different geographical locations. By computer analysis, we predicted potential antigenic sites of envelope glycoprotein (gp120 and gp4l) of this virus. For this purpose, after fetching sequences of proteins of interest from data banks, values of hydrophilicity, flexibility, accessibility, inverted hydrophobicity, and secondary structure were considered. We identified several potential antigenic epitopes in a B subtype strain of envelope glycoprotein of HIV-1 (IIIB). Solid- phase peptide synthesis methods of Merrifield and Fmoc chemistry were used for synthesizing peptides. These synthetic peptides corresponded mainly to the C2, V3 and CD4 binding sites of gp120 and some parts of the ectodomain of gp41. The reactivity of these peptides was tested by ELISA against different HIV-1-positive sera from different locations in India. For two of these predicted epitopes, the corresponding Indian consensus sequences (LAIERYLKQQLLGWG and DIIGDIRQAHCNISEDKWNET) (subtype C) were also synthesized and their reactivity was tested by ELISA. These peptides also distinguished HIV-1-positive sera of Indians with C subtype infections from sera from HIV-negative subjects.

Changes in the fecal concentrations of cortisol and androgen metabolites in captive male jaguars (Panthera onca) in response to stress

In the present study we determined the efficacy of the measurement of fecal cortisol and androgen metabolite concentrations to monitor adrenal and testicular activity in the jaguar (Panthera onca). Three captive male jaguars were chemically restrained and electroejaculated once or twice within a period of two months. Fecal samples were collected daily for 5 days before and 5 days after the procedure and stored at -20ºC until extraction. Variations in the concentrations of cortisol and androgen metabolites before and after the procedure were determined by solid phase cortisol and testosterone radioimmunoassay and feces dry weight was determined by drying at 37ºC for 24 h under vacuum. On four occasions, fecal cortisol metabolite levels were elevated above baseline (307.8 ± 17.5 ng/g dry feces) in the first fecal sample collected after the procedure (100 to 350% above baseline). On one occasion, we did not detect any variation. Mean (± SEM) fecal androgen concentration did not change after chemical restraint and electroejaculation (before: 131.1 ± 26.7, after: 213.7 ± 43.6 ng/g dry feces). These data show that determination of fecal cortisol and androgen metabolites can be very useful for a noninvasive assessment of animal well-being and as a complement to behavioral, physiological, and pathological studies. It can also be useful for the study of the relationship between adrenal activity and reproductive performance in the jaguar.

Quantification of fecal estradiol and progesterone metabolites in Syrian hamsters (Mesocricetus auratus)

Alternative methods to the utilization of laboratory animal blood and its by-products are particularly attractive, especially regarding hamsters due to their small size and difficulties in obtaining serial blood samples. Steroid hormone metabolite quantification in feces, widely used in studies of free-ranging or intractable animals, is a non-invasive, non-stressor, economical, and animal saving technique which allows longitudinal studies by permitting frequent sampling of the same individual. The present study was undertaken to determine the suitability of this method for laboratory animals. Estradiol and progesterone metabolites were quantified by radioimmunoassay in feces of intact, sexually mature female Syrian hamsters during the estrous cycle (control) and in feces of superovulated females. Metabolites were extracted by fecal dilution in ethanol and quantified by solid phase radioimmunoassay. Median estrogen and progesterone concentrations were 9.703 and 180.74 ng/g feces in the control group, respectively. Peaks of estrogen (22.44 ± 4.54 ng/g feces) and progesterone (655.95 ± 129.93 ng/g feces) mean fecal concentrations respectively occurred 12 h before and immediately after ovulation, which is easily detected in this species by observation of a characteristic vaginal postovulatory discharge. Median estrogen and progesterone concentrations (28.159 and 586.57 ng/g feces, respectively) were significantly higher in superovulated animal feces (P < 0.0001). The present study demonstrated that it is possible to monitor ovarian activity in Syrian hamsters non-invasively by measuring fecal estradiol and progesterone metabolites. This technique appears to be a quite encouraging method for the development of new endocrinologic studies on laboratory animals.

Techniques used to identify the Brazilian variant of HIV-1 subtype B

The purpose of the present study was to compare the sensitivity and specificity of V3 enzyme immunoassay (solid phase EIA and EIA inhibition) and restriction fragment length polymorphism (RFLP) with the DNA sequencing "gold standard" to identify the Brazilian HIV-1 variants of subtype B and B"-GWGR. Peripheral blood mononuclear cells were collected from 61 HIV-1-infected individuals attending a clinic in São Paulo. Proviral DNA was amplified and sequentially cleaved with the Fok I restriction enzyme. Plasma samples were submitted to a V3-loop biotinylated synthetic peptide EIA. Direct partial DNA sequencing of the env gene was performed on all samples. Based on EIA results, the sensitivity for detecting B-GPGR was 70%, compared to 64% for the Brazilian variant B"-GWGR while, the specificity of B-GPGR detection was 85%, compared to 88% for GWGR. The assessment of RFLP revealed 68% sensitivity and 94% specificity for the B-GPGR strain compared to 84 and 90% for the B"-GWGR variant. Moreover, direct DNA sequencing was able to detect different base sequences corresponding to amino acid sequences at the tip of the V3 loop in 22 patients. These results show a similar performance of V3 serology and RLFP in identifying the Brazilian variant GWGR. However, V3 peptide serology may give indeterminate results. Therefore, we suggest that V3 serology be used instead of DNA sequencing where resources are limited. Samples giving indeterminate results by V3 peptide serology should be analyzed by direct DNA sequencing to distinguish between B-GPGR and the Brazilian variant B"-GWGR.

Synthesis of Short Oligonucleotides on a Soluble Support by the Phosphoramidite Method

In the last decades, the chemical synthesis of short oligonucleotides has become an important aspect of study due to the discovery of new functions for nucleic acids such as antisense oligonucleotides (ASOs), aptamers, DNAzymes, microRNA (miRNA) and small interfering RNA (siRNA). The applications in modern therapies and fundamental medicine on the treatment of different cancer diseases, viral infections and genetic disorders has established the necessity to develop scalable methods for their cheaper and easier industrial manufacture. While small scale solid-phase oligonucleotide synthesis is the method of choice in the field, various challenges still remain associated with the production of short DNA and RNA-oligomers in very large quantities. On the other hand, solution phase synthesis of oligonucleotides offers a more predictable scaling-up of the synthesis and is amenable to standard industrial manufacture techniques. In the present thesis, various protocols for the synthesis of short DNA and RNA oligomers have been studied on a peracetylated and methylated β-cyclodextrin, and also on a pentaerythritol-derived support. On using the peracetylated and methylated β-cyclodextrin soluble supports, the coupling cycle was simplified by replacement of the typical 5′-O-(4,4′-dimethoxytrityl) protecting group with an acid-labile acetal-protected 5′-O-(1-methoxy-1-methylethyl) group, which upon acid-catalyzed methanolysis released easily removable volatile products. For this reason monomeric building blocks 5′-O-(1-methoxy-1-methylethyl) 3′-(2-cyano-ethyl-N,N-diisopropylphosphoramidite) were synthesized. Alternatively, on using the precipitative pentaerythritol support, novel 2´-O-(2-cyanoethyl)-5´-O-(1-methoxy-1-methylethyl) protected phosphoramidite building blocks for RNA synthesis have been prepared and their applicability by the synthesis of a pentamer was demonstrated. Similarly, a method for the preparation of short RNAs from commercially available 5´-O-(4,4´-dimethoxytrityl)-2´-O-(tert-butyldimethyl-silyl)ribonucleoside 3´-(2-cyanoethyl-N,N-diisopropylphosphoramidite) building blocks has been developed

Perfluorattuja yhdisteitä sisältävien jätevesien puhdistus- ja analyysimenetelmät

Perfluoratut alkyyliyhdisteet eli PFAS-yhdisteet ovat synteettisiä orgaanisia yhdisteitä, joissa on fluorattu hiiliketju. Hiilen ja fluorin väliset vahvat sidokset ovat muodostuneet ongelmaksi jätevedenpuhdistamoilla, sillä yhdisteet eivät hajoa puhdistamoilla käytössä olevilla vedenpuhdistusmenetelmillä. Yhdisteitä kertyy luontoon jätevesien mukana. Kandidaatintyössä on vertailtu yhdisteitä sisältävien vesien käsittelymenetelmiä parhaiten soveltuvan menetelmän löytämiseksi. Menetelmien kustannuksia tai soveltuvuutta vedenpuhdistamomittakaavan prosessiksi ei ole arvioitu. Lisäksi työssä on koottu yhdisteitä sisältävien jätevesien analysointiin sopivia analyysimenetelmiä. Soveltuvat puhdistus- ja analyysimenetelmät on esitelty uusien tieteellisten artikkelien pohjalta. Mahdollisia erotusmenetelmiä ovat membraanierotus ja sorptio. Membraaneista soveltuvimpia ovat nanosuodatus- ja käänteisosmoosimembraanit, joilla erottuvat jopa 0,0001 μm:n kokoiset partikkelit. PFAS-yhdisteet voidaan erottaa sorptiolla muun muassa aktiivihiileen. Yhdisteiden rakenne hajoaa nykyaikaisilla hapetusmenetelmillä ja polttamalla lietteen mukana. Hapettaminen permanganaatin avulla ei tuottanut hyvää tulosta, mutta fotokemiallisella hapetuksella ja alhaisen lämpötilan plasmatekniikalla (NTP) yhdisteiden rakenne hajosi lähes kokonaan. Fotokemiallinen hapetus onnistui erityisesti perfluorokarboksyylihapoilla, joiden rakenne hajosi jopa kolmessa tunnissa. Yleisimmin käytetty analyysimenetelmä on nestekromatografin ja massaspektrometrin yhdistelmä (LC-MS/MS) ja matriisivaikutus minimoidaan tyypillisesti kiinteäfaasiuutolla (SPE). Työssä esitellyistä käsittelymenetelmistä parhaiten soveltuva on NTP-menetelmä, koska sillä saatiin tutkimusten mukaan hajotettua yhdisteiden rakenne muita menetelmiä lyhyemmässä ajassa ja se soveltuu parhaiten kaikille PFAS-yhdisteille. NTP-menetelmässä ei tarvita katalyyttiä tai lisäkemikaaleja. Voimakkaana hapettimena toimivat epästabiilit hydroksyyliradikaalit, jotka syntyvät koronapurkauksen kautta. Koronapurkauksessa muodostuu myös otsonia ja lisäksi vapaa happi voi tehostaa hapettumista. Menetelmässä muodostuvien hajoamistuotteiden hallinta vaatii lisätutkimusta. Mahdollinen hallintakeino voisi olla esimerkiksi hapettumisessa vapautuvien fluoridi-ionien saostaminen. Muodostuvien hajoamistuotteiden toksisuutta voitaisiin tarkkailla biosensorilla.

The determination of sinigrin in Brassica, and investigations into the use of allyl-isothiocyanate as a nematicide

The goal of this thesis was to study factors related to the development of Brassica juncea as a sustainable nematicide. Brassica juncea is characterized by the glycoside (glucosinolate) sinigrin. Various methods were developed for the determination of sinigrin in Brassica juncea tissue extracts. Sinigrin concentrations in plant tissues at various stages of growth were monitored. Sinigrin enzymatically breaks down into allylisothiocyanate (AITC). AITC is unstable in aqueous solution and degradation was studied in water and in soil. Finally, the toxicity of AITC against the root-lesion nematode (Pratylenchus penetrans) was determined. A method was developed to extract sinigrin from whole Brassica j uncea tissues. The optimal time of extraction wi th boiling phosphate buffer (0.7mM, pH=6.38) and methanol/water (70:30 v/v) solutions were both 25 minutes. Methanol/water extracted 13% greater amount of sinigrin than phosphate buffer solution. Degradation of sinigrin in boiling phosphate buffer solution (0.13%/minute) was similar to the loss of sinigrin during the extraction procedure. The loss of sinigrin from boiling methanol/water was estimated to be O.Ol%/minute. Brassica juncea extract clean up was accomplished by an ion-pair solid phase extraction (SPE) method. The recovery of sinigrin was 92.6% and coextractive impurities were not detected in the cleaned up extract. Several high performance liquid chromatography (HPLC) methods were developed for the determination of sinigrin. All the developed methods employed an isocratic mobile phase system wi th a low concentration of phosphate buffer solution, ammonium acetate solution or an ion-pair reagent solution. A step gradient system was also developed. The method involved preconditioning the analytical column with phosphate buffer solution and then switching the mobile phase to 100% water after sample injection.Sinigrin and benzyl-glucosinolate were both studied by HPLC particle beam negative chemical ionization mass spectrometry (HPLCPB- NCI-MS). Comparison of the mass spectra revealed the presence of fragments arising from the ~hioglucose moiety and glucosinolate side-chain. Variation in the slnlgrin concentration within Brassica juncea plants was studied (Domo and Cutlass cuItivars). The sinigrin concentration in the top three leaves was studied during growth of each cultivar. For Cutlass, the minimum (200~100~g/g) and maximum (1300~200~g/g) concentrations were observed at the third and seventh week after planting, respectively. For Domo, the minimum (190~70~g/g) and maximum (1100~400~g/g) concentrations were observed at the fourth and eighth week after planting, respectively. The highest sinigrin concentration was observed in flower tissues 2050±90~g/g and 2300±100~g/g for Cutlass and Domo cultivars, respectively. Physical properties of AITC were studied. The solubility of AITC in water was determined to be approximately 1290~g/ml at 24°C. An HPLC method was developed for the separation of degradation compounds from aqueous AITC sample solutions. Some of the degradation compounds identified have not been reported in the literature: allyl-thiourea, allyl-thiocyanate and diallyl-sulfide. In water, AITC degradation to' diallyl-thiourea was favored at basic pH (9.07) and degradation to diallyl-sulfide was favored at acidic pH (4 . 97). It wap necessary to amend the aqueous AITC sample solution with acetonitrile ?efore injection into the HPLC system. The acetonitrile amendment considerably improved AITC recovery and the reproducibility of the results. The half-life of aqueous AITC degradation at room temperature did not follow first-order kinetics. Beginning with a 1084~g/ml solution, the half-life was 633 hours. Wi th an ini tial AITC concentration of 335~g/ml the half-life was 865 hours. At 35°C the half-life AITC was 76+4 hours essentially independent of the iiisolution pH over the range of pH=4.97 to 9.07 (1000~g/ml). AITC degradation was also studied in soil at 35°C; after 24 hours approximately 75% of the initial AITC addition was unrecoverable by water extraction. The ECso of aqueous AITC against the root-lesion nematode (Pratylenchus penetrans) was determined to be approximately 20~g/ml at one hour exposure of the nematode to the test solution. The toxicological study was also performed with a myrosinase treated Brassica juncea extract. Myrosinase treatment of the Brassica juncea extract gave nearly quantitative conversion of sinigrin into AITC. The myrosinase treated extract was of the same efficacy as an aqueous AITC solution of equivalent concentration. The work of this thesis was focused upon understanding parameters relevant to the development of Brassica juncea as a sustainable nematicide. The broad range of experiments were undertaken in support of a research priority at Agriculture and Agri-Food Canada.

(A) Photoregulation of DNA Functions by Cyclic Azobenzene-tethered Oligonucleotides (B) Site-specific Fluorescent Labeling of DNA using Inverse Electron Demand Diels-Alder Reaction between trans-Cyclooctene Derivatives and BODIPY-Tetrazine Adducts

(A) Most azobenzene-based photoswitches require UV light for photoisomerization, which limit their applications in biological systems due to possible photodamage. Cyclic azobenzene derivatives, on the other hand, can undergo cis-trans isomerization when exposed to visible light. A shortened synthetic scheme was developed for the preparation of a building block containing cyclic azobenzene and D-threoninol (cAB-Thr). trans-Cyclic azobenzene was found to thermally isomerize back to the cis-form in a temperature-dependent manner. cAB-Thr was transformed into the corresponding phosphoramidite and subsequently incorporated into oligonucleotides by solid phase synthesis. Melting temperature measurement suggested that incorporation of cis-cAB into oligonucleotides destabilizes DNA duplexes, these findings corroborate with circular dichroism measurement. Finally, Fluorescent Energy Resonance Transfer experiments indicated that trans-cAB can be accommodated in DNA duplexes. (B) Inverse Electron Demand Diels-Alder reactions (IEDDA) between trans-olefins and tetrazines provide a powerful alternative to existing ligation chemistries due to its fast reaction rate, bioorthogonality and mutual orthogonality with other click reactions. In this project, an attempt was pursued to synthesize trans-cyclooctene building blocks for oligonucleotide labeling by reacting with BODIPY-tetrazine. Rel-(1R-4E-pR)-cyclooct-4-enol and rel-(1R,8S,9S,4E)-Bicyclo[6.1.0]non-4-ene-9-ylmethanol were synthesized and then transformed into the corresponding propargyl ether. Subsequent Sonogashira reactions between these propargylated compounds with DMT-protected 5-iododeoxyuridine failed to give the desired products. Finally a methodology was pursued for the synthesis of BODIPY-tetrazine conjugates that will be used in future IEDDA reactions with trans-cyclooctene modified oligonucleotides.

Développement de techniques analytiques pour la détermination des agents anti-infectieux dans les eaux environnementales

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles.

Electrospinning and characterization of self-assembled inclusion complexies

L’électrofilage est une technique permettant de fabriquer des fibres polymériques dont le diamètre varie entre quelques nanomètres et quelques microns. Ces fibres ont donc un rapport surface/volume très élevé. Les fibres électrofilées pourraient trouver des applications dans le relargage de médicaments et le génie tissulaire, comme membranes et capteurs chimiques, ou dans les nanocomposites et dispositifs électroniques. L’électrofilage était initialement utilisé pour préparer des toiles de fibres désordonnées, mais il est maintenant possible d’aligner les fibres par l’usage de collecteurs spéciaux. Cependant, il est important de contrôler non seulement l’alignement macroscopique des fibres mais aussi leur orientation au niveau moléculaire puisque l’orientation influence les propriétés mécaniques, optiques et électriques des polymères. Les complexes moléculaires apparaissent comme une cible de choix pour produire des nanofibres fortement orientées. Dans les complexes d’inclusion d’urée, les chaînes polymères sont empilées dans des canaux unidimensionnels construits à partir d’un réseau tridimensionnel de molécules d’urée liées par des ponts hydrogène. Ainsi, les chaînes polymère sonts très allongées à l’échelle moléculaire. Des nanofibres du complexe PEO-urée ont été préparées pour la première fois par électrofilage de suspensions et de solutions. Tel qu’attendu, une orientation moléculaire inhabituellement élevée a été observée dans ces fibres. De tels complexes orientés pourraient être utilisés à la fois dans des études fondamentales et dans la préparation de matériaux hiérarchiquement structurés. La méthode d’électrofilage peut parfois aussi être utilisée pour préparer des matériaux polymériques métastables qui ne peuvent pas être préparés par des méthodes conventionnelles. Ici, l’électrofilage a été utilisé pour préparer des fibres des complexes stables (α) et "métastables" (β) entre le PEO et l’urée. La caractérisation du complexe β, qui était mal connu, révèle un rapport PEO:urée de 12:8 appartenant au système orthorhombique avec a = 1.907 nm, b = 0.862 nm et c = 0.773 nm. Les chaînes de PEO sont orientées selon l’axe de la fibre. Leur conformation est significativement affectée par les ponts hydrogène. Une structure en couches a été suggérée pour la forme β, plutôt que la structure conventionnelle en canaux adoptée par la forme α. Nos résultats indiquent que le complexe β est thermodynamiquement stable avant sa fonte et peut se transformer en forme α et en PEO liquide par un processus de fonte et recristallisation à 89 ºC. Ceci va dans le sens contraire aux observations faites avec le complexe β obtenu par trempe du complexe α fondu. En effet, le complexe β ainsi obtenu est métastable et contient des cristaux d’urée. Il peut subir une transition de phases cinétique solide-solide pour produire du complexe α dans une vaste gamme de températures. Cette transition est induite par un changement de conformation du PEO et par la formation de ponts hydrogène intermoléculaires entre l’urée et le PEO. Le diagramme de phases du système PEO-urée a été tracé sur toute la gamme de compositions, ce qui a permis d’interpréter la formation de plusieurs mélanges qui ne sont pas à l’équilibre mais qui sont été observés expérimentalement. La structure et le diagramme de phases du complexe PEO-thiourée, qui est aussi un complexe très mal connu, ont été étudiés en détail. Un rapport molaire PEO :thiourée de 3:2 a été déduit pour le complexe, et une cellule monoclinique avec a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm et β = 92.35º a été déterminée. Comme pour le complexe PEO-urée de forme β, une structure en couches a été suggérée pour le complexe PEO-thiourée, dans laquelle les molécules de thiourée seraient disposées en rubans intercalés entre deux couches de PEO. Cette structure en couches pourrait expliquer la température de fusion beaucoup plus faible des complexes PEO-thiourée (110 ºC) et PEO-urée de forme β (89 ºC) en comparaison aux structures en canaux du complexe PEO-urée de forme α (143 ºC).

Développement de méthodes analytiques pour la détection et la quantification de traces de produits pharmaceutiques dans les eaux du fleuve Saint Laurent

Le présent projet vise à documenter la nécessité d’augmenter notre connaissance de la présence des contaminants organiques tels que les médicaments dans l’environnement et d’évaluer leur devenir environnemental. On a étudié la présence de composés pharmaceutiques dans différents échantillons d'eau. On a focalisé nos efforts spécialement sur les échantillons d'eau de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et ses effluents, les eaux de surface avoisinantes et l’eau du robinet dans la région de Montréal. Pour ce faire, on a tout d’abord développé deux méthodes analytiques automatisées basées sur la chromatographie liquide avec extraction en phase solide (SPE) couplée à la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). On a également étudié les performances des trois techniques d'ionisation à pression atmosphérique (API), pour ensuite les utiliser dans la méthode analytique développée. On a démontré que l'ionisation par électronébulisation (ESI) est une méthode d'ionisation plus efficace pour l'analyse des contaminants pharmaceutiques dans des échantillons de matrices très complexes comme les eaux usées. Une première méthode analytique SPE couplée à la LC-MS/MS a été développée et validée pour l'étude des échantillons complexes provenant de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et des eaux de surface près de l'usine. Cinq médicaments de prescription ont été étudiés: le bézafibrate (un régulateur de lipides), le cyclophosphamide et le méthotrexate (deux agents anticancéreux), l'orlistat (un agent anti-obésité) et l’énalapril (utilisé dans le traitement de l'hypertension). La plupart de ces drogues sont excrétées par le corps humain et rejetées dans les eaux usées domestiques en faisant par la suite leur chemin vers les usines municipales de traitement des eaux usées. On a pu démontrer qu'il y a un faible taux d’élimination à l'usine d'épuration pour le bézafibrate et l'énalapril. Ces deux composés ont aussi été détectés dans les eaux de surface sur un site à proximité immédiate de la décharge de l’effluent de la station d'épuration. i En observant la nécessité de l'amélioration des limites de détection de la première méthode analytique, une deuxième méthode a été développée. Pour la deuxième méthode, un total de 14 contaminants organiques, incluant trois agents anti-infectieux (clarithromycin, sulfaméthoxazole et triméthoprime), un anticonvulsant (carbamazépine) et son produit de dégradation (10,11-dihydrocarbamazépine), l'agent antihypertensif (enalapril), deux antinéoplastiques utilisés en chimiothérapie (cyclophosphamide et méthotrexate), des herbicides (atrazine, cyanazine, et simazine) et deux produits de transformation de l’atrazine (deséthylatrazine et déisopropylatrazine) ainsi qu’un agent antiseptique (triclocarban). Ces produits ont été quantifiés dans les eaux de surface ainsi que dans l’eau du robinet. L'amélioration des limites de détection pour cette méthode a été possible grâce à la charge d'un volume d'échantillon supérieur à celui utilisé dans la première méthode (10 mL vs 1 mL). D'autres techniques de confirmation, telles que les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle et la mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol, ont été explorées. L'utilisation d'un analyseur de masse à temps d’envol a permis la confirmation de 6 des 14 analytes. Finalement, étant donné leur haute toxicité et pour évaluer leur persistance et leur transformation au niveau du traitement des eaux potables, la cinétique d'oxydation du cyclophosphamide et de méthotrexate avec l'ozone moléculaire et des radicaux OH a été étudiée. Les constantes de dégradation avec l'ozone moléculaire ont été calculées et la qualité de l'eau après traitement a pu être évaluée. Le rendement du processus d'ozonation a été amélioré pour la cyclophosphamide dans les eaux naturelles, en raison de la combinaison de réactions directes et indirectes. Cette étude a montré que l'ozone est très efficace pour oxyder le méthotrexate mais que le cyclophosphamide serait trop lent à s’oxyder pour un traitement efficace aux conditions usuelles de traitement de l’eau potable.