Structure and lipid interactions of membrane-associated glycosyltransferases : Cationic patches and anionic lipids regulate biomembrane binding of both GT-A and GT-B enzymes

This thesis concerns work on structure and membrane interactions of enzymes involved in lipid synthesis, biomembrane and cell wall regulation and cell defense processes. These proteins, known as glycosyltransferases (GTs), are involved in the transfer of sugar moieties from nucleotide sugars to lipids or chitin polymers. Glycosyltransferases from three types of organisms have been investigated; one is responsible for vital lipid synthesis in Arabidopsis thaliana (atDGD2) and adjusts the lipid content in biomembranes if the plant experiences stressful growth conditions. This enzyme shares many structural features with another GT found in gram-negative bacteria (WaaG). WaaG is however continuously active and involved in synthesis of the protective lipopolysaccharide layer in the cell walls of Escherichia coli. The third type of enzymes investigated here are chitin synthases (ChS) coupled to filamentous growth in the oomycete Saprolegnia monoica. I have investigated two ChS-derived MIT domains that may be involved in membrane interactions within the endosomal pathway. From analysis of the three-dimensional structure and the amino-acid sequence, some important regions of these very large proteins were selected for in vitro studies. By the use of an array of biophysical methods (e.g. Nuclear Magnetic Resonance, Fluorescence and Circular Dichroism spectroscopy) and directed sequence analyses it was possible to shed light on some important details regarding the structure and membrane-interacting properties of the GTs. The importance of basic amino-acid residues and hydrophobic anchoring segments, both generally and for the abovementioned proteins specifically, is discussed. Also, the topology and amino-acid sequence of GT-B enzymes of the GT4 family are analyzed with emphasis on their biomembrane association modes. The results presented herein regarding the structural and lipid-interacting properties of GTs aid in the general understanding of glycosyltransferase activity. Since GTs are involved in a high number of biochemical processes in vivo it is of outmost importance to understand the underlying processes responsible for their activity, structure and interaction events. The results are likely to be useful for many applications and future experimental design within life sciences and biomedicine.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Synthèse de sulfilimines et de sulfoximines catalysée par les métaux de transition

Les sulfilimines et les sulfoximines sont des motifs structuraux dont l’intérêt synthétique est grandissant, notamment du fait de leurs applications en chimie médicinale et en agrochimie. Les travaux rapportés dans cet ouvrage décrivent le développement de nouvelles méthodes de synthèse efficaces pour la production de ces unités atypiques. Ces méthodes sont basées sur la réactivité d’une source d’azote électrophile, vis-à-vis de thioéthers et de sulfoxydes. L’utilisation d’un complexe métallique introduit en quantité catalytique a permis de favoriser le processus réactionnel. En tirant bénéfice de l’expertise de notre groupe de recherche sur le développement de réactions d’amination stéréosélectives de liaisons C-H et d’aziridination de styrènes, nous avons d’abord étudié la réactivité des N-mésyloxycarbamates comme source d’azote électrophile. Après avoir optimisé sa synthèse sur grande échelle, ce réactif chiral a été utilisé dans des réactions d’amination de thioéthers et de sulfoxydes, catalysées par un dimère de rhodium (II) chiral. Un processus diastéréosélectif efficace a été mis au point, permettant de produire des sulfilimines et des sulfoximines chirales avec d’excellents rendements et sélectivités. Au cours de l’optimisation de cette méthode de synthèse, nous avons pu constater l’effet déterminant de certains additifs sur la réactivité et la sélectivité de la réaction. Une étude mécanistique a été entreprise afin de comprendre leur mode d’action. Il a été observé qu’une base de Lewis telle que le 4-diméthylaminopyridine (DMAP) pouvait se coordiner au dimère de rhodium(II) et modifier ses propriétés structurales et redox. Les résultats que nous avons obtenus suggèrent que l’espèce catalytique active est un dimère de rhodium de valence mixte Rh(II)/Rh(III). Nous avons également découvert que l’incorporation de sels de bispyridinium avait une influence cruciale sur la diastéréosélectivité de la réaction. D’autres expériences sur la nature du groupe partant du réactif N-sulfonyloxycarbamate nous ont permis de postuler qu’une espèce nitrénoïde de rhodium était l’intermédiaire clé du processus d’amination. De plus, l’exploitation des techniques de chimie en débit continu nous a permis de développer une méthode d’amination de thioéthers et de sulfoxydes très performante, en utilisant les azotures comme source d’azote électrophile. Basée sur la décompositon photochimique d’azotures en présence d’un complexe de fer (III) simple et commercialement disponible, nous avons été en mesure de produire des sulfilimines et des sulfoximines avec d’excellents rendements. Le temps de résidence du procédé d’amination a pu être sensiblement réduit par la conception d’un nouveau type de réacteur photochimique capillaire. Ces améliorations techniques ont permis de rendre la synthèse plus productive, ce qui constitue un élément important d’un point de vue industriel.

Coordination of phosphido-boratabenzene ligands to transition metals

Environ 90% des composés produits industriellement sont fabriqués à l’aide de catalyseurs. C’est pourquoi la conception de catalyseurs toujours plus performants pour améliorer les procédés industriels actuels est toujours d’intérêt. De la grande variété de complexes avec des métaux de transition rapportés jusqu’à présent, les complexes zwitterioniques attirent notre attention par leurs activités catalytiques souvent supérieures aux complexes cationiques normaux. Un complexe métallique zwitterionique est un fragment métal-ligand neutre où la charge positive est située sur le centre métallique et où la charge négative est délocalisée sur un des ligands liés au métal. Nous proposons la synthèse de ligands anioniques phosphine comportant des groupements borates et boratabenzènes. Cette dernière espèce est un cycle à 6 membres où l’un des atomes de carbone est remplacé par un atome de bore et qui est négativement chargé. La capacité de ces phosphines anioniques à se lier à un centre métallique à l’aide de la paire libre du phosphore est due à la nature du lien P-B qui défavorise l’interaction entre la paire libre du phosphore et l’orbitale p vide du bore. Les propriétés de di-tert-butylphosphido-boratabenzène (DTBB) comme ligand phosphine anionique hautement donneur et encombré ainsi que la découverte de ses modes de coordination inhabituels pour stabiliser les métaux de transition insaturés ont été étudiés au cours de ce travail. De nouvelles perspectives sur les modes de coordination de phosphido-boratabenzène et la force de l’interaction du lien P-B seront discutées ainsi que les applications catalytiques. Nous avons d’abord étudié la coordination η1 avec des complexes de fer, ce qui nous a fourni des données quantitatives précieuses sur la capacité du DTBB d’agir comme ligand très donneur par rapport aux autres ligands donneurs bien connus. La capacité du DTBB à changer de mode de coordination pour soutenir les besoins électroniques du métal a été démontrée par la découverte d’une nouvelle espèce ferrocenyl phosphido-boratabenzène et sa nucléophilie a été étudiée. Au meilleur de notre connaissance, aucun exemple d’un ligand boratabenzène coordonné aux métaux du groupe 11 n’existe dans la littérature. Voilà pourquoi nous avons décidé d’explorer les modes de coordination du ligand DTBB avec Cu(I), Ag(I) et Au(I). A notre grande surprise, le ligand DTBB est capable de stabiliser les métaux du groupe 11 aux états d’oxydation faibles par une liaison MP qui est une coordination du type η1, un mode de coordination guère observé pour les ligands boratabenzène. Pendant nos travaux, notre attention s’est tournée vers la synthèse d’un complexe de rhodium(I) afin de tester son utilité en catalyse. A notre grande satisfaction, le complexe Rh-DTBB agit comme un précatalyseur pour l’hydrogénation des alcènes et alcynes à la température ambiante et à pression atmosphérique et son activité est comparable à celle du catalyseur de Wilkinson. Dans un désir d’élargir les applications de notre recherche, notre attention se tourna vers l’utilisation des composés du bore autres que le boratabenzène. Nous avons décidé de synthétiser une nouvelle espèce phosphido-borate encombrée. Lorsqu’elle réagit avec des métaux, l’espèce phosphido-borate subit un clivage de la liaison P-B. Toutefois, cette observation met en évidence la singularité et les avantages de la stabilité de la liaison P-B lors de l’utilisation du fragment boratabenzène. Ces observations enrichissent notre compréhension des conditions dans lesquelles la liaison P-B du ligand DTBB peut être clivée. Ces travaux ont mené à la découverte d’un nouveau ligand ansa-boratabenzène avec une chimie de coordination prometteuse.

Palladium-Catalyzed Cross-Couplings of 2-Alkylaziridines and Alkenylboronic Acids

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Channel-forming activity of syringopeptin 25 A in mercury-supported phospholipid monolayers and negatively charged bilayers

Interactions of the cationic lipodepsipeptide syringopeptin 25 A (SP25A) with mercury-supported dioleoylphosphatidylcholine (DOPC), dioleoylphosphatidylserine (DOPS) and dioeleoylphosphatidic acid (DOPA) self-assembled monolayers (SAMs) were investigated by AC voltammetry in 0.1 M KCl at pH 3, 5.4 and 6.8. SP25A targets and penetrates the DOPS SAM much more effectively than the other SAMs not only at pH 6.8, where the DOPS SAM is negatively charged, but also at pH 3, where it is positively charged just as SP25A. Similar investigations at tethered bilayer lipid membranes (tBLMs) consisting of a thiolipid called DPTL anchored to mercury, with a DOPS, DOPA or DOPC distal monolayer on top of it, showed that, at physiological transmembrane potentials, SP25A forms ion channels spanning the tBLM only if DOPS is the distal monolayer. The distinguishing chemical feature of the DOPS SAM is the ionic interaction between the protonated amino group of a DOPS molecule and the carboxylate group of an adjacent phospholipid molecule. Under the reasonable assumption that SP25A preferentially interacts with this ion pair, the selective lipodepsipeptide antimicrobial activity against Gram-positive bacteria may be tentatively explained by its affinity for similar protonated amino-carboxylate pairs, which are expected to be present in the peptide moieties of peptidoglycan strands.

Synthesis and characterization of hybrids derived from vermiculite chloropropyl and aliphatic diamines

ALVES, Ana Paula de Melo et al. Synthesis and characterization of hybrids derived from vermiculite chloropropyl and aliphatic diamines. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, v.87, n. 3, p.771–774, 2007.

EXCITON ENGINEERING THROUGH TUNALBLE FLUORESCENT QUANTUM DEFECTS

This thesis demonstrates exciton engineering in semiconducting single-walled carbon nanotubes through tunable fluorescent quantum defects. By introducing different functional moieties on the sp2 lattice of carbon nanotubes, the nanotube photoluminescence is systematically tuned over 68 meV in the second near-infrared window. This new class of quantum emitters is enabled by a new chemistry that allows covalent attachment of alkyl/aryl functional groups from their iodide precursors in aqueous solution. Using aminoaryl quantum defects, we show that the pH and temperature of complex fluids can be optically measured through defect photoluminescence that encodes the local environment information. Furthermore, defect-bound trions, which are electron-hole-electron tri-carrier quasi-particles, are observed in alkylated single-walled carbon nanotubes at room temperature with surprisingly high photoluminescence brightness. Collectively, the emission from defect-bound excitons and trions in (6,5)-single walled carbon nanotubes is 18-fold brighter than that of the native exciton. These findings pave the way to chemical tailoring of the electronic and optical properties of carbon nanostructures with fluorescent quantum defects and may find applications in optoelectronics and bioimaging.

Glycosylation and Glycodiversification in Polyketide Antibiotics: Unraveling Biosynthetic Steps in Nogalamycin Formation

Soil-dwelling Streptomyces bacteria are known for their ability to produce biologically active compounds such as antimicrobial, immunosuppressant, antifungal and anticancer drugs. S. nogalater is the producer of nogalamycin, a potential anticancer drug exhibiting high cytotoxicity and activity against human topoisomerases I and II. Nogalamycin is an anthracycline polyketide comprising a four-ring aromatic backbone,a neutral deoxy sugar at C7, and an amino sugar attached via an O–C bond at C1 and a C–C bond between C2 and C5´´. This kind of attachment of the amino sugar is unusual thus making the structure of the compound highly interesting. The sugar is also associated with the biological activity of nogalamycin, as it facilitates binding to DNA. Furthermore, the sugar moieties of anthracyclines are often crucial for their biological activity. Together the interesting attachment of the amino sugar and the general reliance of polyketides on the sugar moieties for bioactivity have made the study of the biosynthesis of nogalamycin attractive. The sugar moieties are typically attached by glycosyltransferases, which use two substrates: the donor and the acceptor. The literature review of the thesis is focused on the glycosylation of polyketides and the possibilities to alter their glycosylation patterns. My own thesis work revolves around the biosynthesis of nogalamycin. We have elucidated the individual steps that lead to its rather unique structure. We reconstructed the whole biosynthetic pathway in the heterologous host S. albus using a cosmid and a plasmid. In the process, we were able to isolate new compounds when the cosmid, which contains the majority of the nogalamycin gene cluster, was expressed alone in the heterologous host. The new compounds included true intermediates of the pathway as well as metabolites, which were most likely altered by the endogenous enzymes of the host. The biological activity of the most interesting new products was tested against human topoisomerases I and II, and they were found to exhibit such activities. The heterologous expression system facilitated the generation of mutants with inactivated biosynthetic genes. In that process, we were able to identify the functions of the glycosyltransferases SnogE and SnogD, solve the structure of SnogD, discover a novel C1-hydroxylase system comprising SnoaW and SnoaL2, and establish that the two homologous non-heme α-ketoglutarate and Fe2+ dependent enzymes SnoK and SnoN catalyze atypical reactions on the pathway. We demonstrated that SnoK was responsible for the formation of the additional C–C bond, whereas SnoN is an epimerase. A combination of in vivo and in vitro techniques was utilized to unravel the details of these enzymes. Protein crystallography gave us an important means to understand the mechanisms. Furthermore, the solved structures serve as platforms for future rational design of the enzymes.

Development of paper-based color test-strip for drug detection in aquatic environment: Application to oxytetracycline

The wide use of antibiotics in aquaculture has led to the emergence of resistant microbial species. It should be avoided/minimized by controlling the amount of drug employed in fish farming. For this purpose, the present work proposes test-strip papers aiming at the detection/semi-quantitative determination of organic drugs by visual comparison of color changes, in a similar analytical procedure to that of pH monitoring by universal pH paper. This is done by establishing suitable chemical changes upon cellulose, attributing the paper the ability to react with the organic drug and to produce a color change. Quantitative data is also enabled by taking a picture and applying a suitable mathematical treatment to the color coordinates given by the HSL system used by windows. As proof of concept, this approach was applied to oxytetracycline (OXY), one of the antibiotics frequently used in aquaculture. A bottom-up modification of paper was established, starting by the reaction of the glucose moieties on the paper with 3-triethoxysilylpropylamine (APTES). The so-formed amine layer allowed binding to a metal ion by coordination chemistry, while the metal ion reacted after with the drug to produce a colored compound. The most suitable metals to carry out such modification were selected by bulk studies, and the several stages of the paper modification were optimized to produce an intense color change against the concentration of the drug. The paper strips were applied to the analysis of spiked environmental water, allowing a quantitative determination for OXY concentrations as low as 30 ng/mL. In general, this work provided a simple, method to screen and discriminate tetracycline drugs, in aquaculture, being a promising tool for local, quick and cheap monitoring of drugs.

In vitro expansion of U87-MG human glioblastoma cells under hypoxic conditions affects glucose metabolism and subsequent in vivo growth

International audience

Trapping phosphorus (III) into polyoxometalates: synthesis, characterisation and electronic behaviour study

The introduction of electronically-active heteroanions into polyoxometalates (POMs) is one of the emerging topics in this field. The novel clusters have shown unprecedented intramolecular electron-transfer features that can be directly mediated by the incorporated heteroanions. In this thesis, we will focus on the study of phosphite (HPO32-) as new non-traditional heteroanions, discover HPO32- templated nanostructures, investigate their electronic behaviours as well as understand the self-assembly process of HPO32--templated species. The thesis starts with incorporating HPO32- into POM cages. The feasibility of this work was illustrated by the successful trapping of HPO32- into a “Trojan Horse” type {W18O56} nanocage. The reactivity of embedded {HPO3} was fully studied, showing the cluster undergoes a structural rearrangement in solution whereby the {HPO3} moieties dimerise to form a weakly interacting (O3PH···HPO3) moiety. In the crystalline state a temperature-dependent intramolecular redox reaction and structural rearrangement occurs. This rearrangement appears to proceed via an intermediate containing two different templates, a pyramidal {HPO3} and a tetrahedral {PO4} moiety. {HPO3} templated POM cages were then vigorously expanded and led to the isolation of five either fully oxidised or mixed-valence clusters trapped with mono-, di-, or tri- {HPO3}. Interestingly, an intriguing 3D honeycomb-like host-guest structure was also synthesised. The porous framework was self-aggregated by a tri-phopshite anion templated {W21} cluster with a {VO4} templated Wells-Dawson type {W18} acting as a guest species within the hexagonal channels. Based on this work, we further extended the templating anions to two different redox-active heteroanions, and discovered a unique mixed-heteroatom templated system built by pairing redox-active {HPIIIO3} with {TeO3}, {SeO3} or {AsO3}. Two molecular systems were developed, ie. “Trojan Horse” type [W18O56(HPO3)0.8(SeO3)1.2(H2O)2]8- and cross-shaped [H4P4X4W64O224]32-/36-, where X=TeIV, SeIV, AsIII. In the case of {W18(HPO3)0.8(SeO3)1.2}, the compound is found to be a mixture of heteroleptic {W18(HPO3)(SeO3)} and homoleptic {W18(SeO3)2} and {W18(HPO3)2}, identified by single crystal x-ray diffraction, NMR as well as high resolution mass spectrometry. The cluster exhibited similar temperature-dependent electronic features to “Trojan Horse” type {W18(HPO3)2O56}. However, due to the intrinsic reactivity difference between {HPO3} and {SeO3}, the thermal treatment leads to the formation of an unusual species [W18O55(PO4)(SeO3)]5-, in which {HPO3} was fully oxidised to {PO4} within the cage, whereas and lone-pair-containing {SeO3} heteroanions were kept intact inside the shell. This finding is extremely interesting, as it demonstrated that multiple and independent intramolecular electronic performance can be achieved by the coexistence of distinct heteroatoms within a single molecule. On the other hand, the cross-shaped [H4P4X4W64O224]32-/36- were constructed by four {W15(HPO3)(XO3)} building units linked by four {WO6} octahedra. Each building unit traps two different heteroatoms. It is interesting to note that the mixed heteroatom species show self-sorting, with a highly selective positional preference. Smaller ionic sized {HPO3} are self-organised into the uncapped side of {W15} cavity, whereas closed side are occupied by larger heteroatoms, which is surprisingly opposed to steric hindrance. Density functional theory (DFT) calculations are currently underway to have a full understanding of the preference of heteroatom substitutions. This series of clusters is of great interest in terms of achieving single molecule-based heteroatom-dependent multiple levels of electron transfer. It has opened a new way to design and synthesise POMs with higher diversity of electrical states, which may lead to a new type of Q-bits for quantum computing. The third chapter is focused on developing polyoxotungstate building blocks templated by {HPO3}. A series of building blocks, {W15O48(HPO3)2}, {W9O30(HPO3)} {W12O40(HPO3)2} and hexagonal {W6O18(HPO3)} have been obtained. The first four building blocks have been reported with {SeO3} and/or {TeO3} heteroanions. This result demonstrates {HPO3} has a similar reactivity as {SeO3} and {TeO3}, therefore studying the self-assembly of {HPO3}-based building blocks would be helpful to have a general understanding of pyramidal heteroatom-based molecular systems. The hexagonal {W6O18(HPO3)} is observed for the first time in polyoxotungstates, showing some of reactivity difference between {HPO3} and {SeO3} and {TeO3}. Furthermore, inorganic salts and pH values have some directing influence on the formation and transformation of various building blocks, resulting in the discovery of a family of {HPO3}-based clusters with nuclearity ranging from {W29} to {W106}. High resolution mass spectrometry was also carried out to investigate the cluster solution behaviour and also gain information of building block speciation. It is found that some clusters experienced decomposition, which gives rise to potential building blocks accountable for the self-assembly.

Dual layer solid phase extraction based on molecular imprinting technology: Seeking a route to enhance selectivity for trace analysis of pesticide residues in olive oil.

Aiming to introduce a multiresidue analysis for the trace detection of pesticide residues belonging to organophosphorus and triazine classes from olive oil samples, a new sample preparation methodology comprising the use of a dual layer of “tailor-made” molecularly imprinted polymers (MIPs) SPE for the simultaneous extraction of both pesticides in a single procedure has been attempted. This work has focused on the implementation of a dual MIP-layer SPE procedure (DL-MISPE) encompassing the use of two MIP layers as specific sorbents. In order to achieve higher recovery rates, the amount of MIP layers has been optimized as well as the influence of MIP packaging order. The optimized DL-MISPE approach has been used in the preconcentration of spiked organic olive oil samples with concentrations of dimethoate and terbuthylazine similar to the maximum residue limits and further quantification by HPLC. High recovery rates for dimethoate (95%) and terbuthylazine (94%) have been achieved with good accuracy and precision. Overall, this work constitutes the first attempt on the development of a dual pesticide residue methodology for the trace analysis of pesticide residues based on molecular imprinting technology. Thus, DL-MISPE constitutes a reliable, robust, and sensitive sample preparation methodology that enables preconcentration of the target pesticides in complex olive oil samples, even at levels similar to the maximum residue limits enforced by the legislation.

New 9-Terpenyl(7-Terpenyl)Purines: synthesis and cytotoxicity

The purine ring system is one of the most widely distributed N-heterocycles in Nature [1] and many structurally modified purine nucleosides and nucleotides have activities ranging from antineoplastic and antiviral to antihypertensive, antiasthmatic, antituberculosis, etc [2]. Among the purine derivatives, we have put our attention on natural N-alkylpurines such as the asmarines or agelasimines, a group of secondary metabolites isolated from marine sponges with very interesting biological properties [3]. They have a diterpenoid moiety attached to the N-7 nitrogen atom of an adenine and are usually isolated in very small quantities, which limited their structure-activity relationship studies. Our research group has been involved for years in the design, synthesis and biological evaluation of cytotoxic compounds related to natural products, including the chemoinduction of bioactivity on inactive terpenoids [4]. These diterpenoid include compounds such as communic or cupressic acids that bear decaline moieties very close to those present in the above-mentioned marine natural products. These facts prompted us to design and prepare new terpenylpurine derivatives starting from natural monoterpenoids and diterpenoids, commercially available or isolated from their natural sources and transformed into appropriate alkylated agents. Thus, we have prepared purines alkylated at N-7 and N-9 positions with isoprenoids, monoterpenoids and diterpenoids, using two different synthetic approaches: from 6-chloropurine or from 4,5-diamine-6-chloropyrimidine. The structure of the synthesized purines are shown in the following figure. The purine analogues synthesized have been evaluated for their cytotoxicity against four tumour human cell lines (breast, non-small lung, cervical and hepatocellular carcinoma) and non-tumour cells (porcine liver primary cells). The most cytotoxic derivatives were those with a diterpenoid rest on the purine. The results obtained allowed to draw conclusions on the structure-activity relationship of the compounds in order to evaluate the influence of the terpenyl size on their cytotoxic properties.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.